一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料及其制备方法

1.本发明涉及合金或有色金属的处理技术领域，尤其涉及一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料及其制备方法。


背景技术：

2.钛/钢复合板不仅具有钛的耐蚀性，而且具备碳钢优良的强韧性和加工性能以及低成本的特点，拥有广泛的工程应用前景。近些年来在航空航天、海洋工程、化学工业、管道工程等领域大规模使用。但是，受限于钛元素和铁元素的性能差异，它们之间易生成硬脆的金属间化合物，严重降低了界面结合强度。
3.近几年来，在高熵合金的基础上，发展而来的高熵金属间化合物获得了越来越多的关注。高熵金属间化合物是一种有序金属材料，它的各亚点阵之间保持着长程有序结构，具有金属间化合物的特点，而在每个亚点阵内多种元素随机占位，又保持着固溶体的性能。通过这种亚点阵多主元化的设计理念，普通二元金属间化合物经过高熵化表现出更优良的性能，比如塑韧性的提升、更加稳定的高温性能等。基于高熵金属间化合物的这种特性，使用它作为钛/钢复合板界面的过渡材料，使原本的铁-钛二元化合物高熵化，解决界面结合的问题具有可期的成效。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种工艺简单、适合工业化生产的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的制备方法，包括如下步骤：
5.(1)预处理：
6.准备尺寸规格统一的铁片、铜片、钛片、铝片，得到金属片；去除其表面杂质，根据等摩尔比例称取相应质量的金属片，将其随机叠放至一起，得到叠层胚料；
7.(2)轧制处理：
8.对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，重复以上轧制过程至预定道次，得到中间材料；
9.(3)密封压实：
10.将所述中间材料置于金属容置件内部，经密封、压实，得到块体材料；
11.(4)高温热轧：
12.对所述块体材料进行热处理，热处理后进行热轧压薄，重复热处理-热轧压薄过程至预定循环次数，最后回收得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料。
13.优选的，所述步骤(1)中，所述金属片除铁片、铜片、钛片、铝片外，还包括锌片。
14.优选的，所述步骤(2)中，所述轧制在室温无润滑的条件下进行。
15.优选的，所述步骤(2)中，所述轧制的每道次叠层胚料厚度形变的压下量为50％～70％。
16.优选的，所述步骤(2)中，所述轧制的预定道次总数为40～100道次。
17.优选的，所述步骤(3)中，所述金属容置件由易于加工并具有良好延展性的金属或金属合金制成。
18.进一步优选的，所述金属容置件为可两端封闭的圆柱形金属管；所述金属管由铜制成。
19.优选的，所述步骤(4)中，所述热处理为在600～700℃保温30～60min。
20.优选的，所述步骤(4)中，所述热处理-热轧压薄的循环次数为2～5次。
21.优选的，所述步骤(4)中，所述块体材料经热处理-热轧压薄后在厚度方向上形变的累积压下量为70～90％。
22.由于铁和钛的电负性相差较大，容易形成各种硬脆的金属间化合物相，无法在界面处实现良好的结合效果，而在引入了其他金属元素之后，高熵金属间化合物具有更高的混合熵，各组元之间具有更高的相容性，铁与该高熵层状过渡层材料以及钛与该高熵层状过渡层材料的性能差异减小，相互固溶能力及界面结合能力均得到了增强。将这种材料应用于钛/钢复合板连接的过渡层，可以使整个钛/钢复合板材料形成一种宏观上大层状、过渡区微观上小层状的交替层状结构。
23.将各片状金属随机叠放后在室温无润滑的条件下对其进行多次轧制变形。轧制处理的过程中，在压力下各金属材料发生剧烈塑性变形，金属层间距逐渐减小。当轧制道次满足预定数量时，各金属之间已经发生了部分固溶，经过一段时间的高温保温后，元素扩散完成，但仍然保持着层状的非均匀结构，热轧压薄后，进一步降低了合金缺陷，最终得到高熵层状过渡层材料。
24.在本发明的第二方面，提供了一种具有叠层构型及大量异质界面的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，该材料由本发明第一方面提供的制备方法制备而成。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
26.1、本发明提供了一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的制备方法，该方法工艺简单，采用多道次轧制、热处理及热轧压薄制得成品，适用于工业规模化生产；该工艺过程中不需要通过液态凝固的方法来制备高熵材料，从而避免凝固过程中产生的各种金相缺陷。
27.2、本发明提供了一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，基于高熵材料的多组元特点，该材料具备层状非均匀结构，由于叠层构型以及大量异质界面的存在，使得该材料与传统单一均匀组织结构相比较，具备更加优异的断裂韧性及硬度。
附图说明
28.图1为本发明实施例1的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的光学显微镜图；
29.图2中，a～c为本发明实施例1的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料在不同放大倍率下的扫面电镜图；d～h为其金属元素的元素能谱分布图；
30.图3为本发明实施例1的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的x射线衍射图谱；
31.图4为本发明实施例2中，经过轧制处理处理后所得中间材料的光学显微镜图；
32.图5为本发明实施例2的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的光学显微镜图；
33.图6为本发明实施例2的用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的x射线衍射图谱。
具体实施方式
34.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
35.实施例1
36.用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，采用如下方法制备而成：
37.(1)预处理：
38.切取厚度均匀，长宽尺寸为100mm
×
50mm的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，对金属片表面进行打磨和清理以去除表面杂质，根据等摩尔比例的原则，称取相应质量的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，将各金属片随机叠放至一起，得到叠层胚料；
39.(2)轧制处理：
40.在室温无润滑的条件下采用工业轧机对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，每道次叠层胚料厚度形变的压下量为50％，重复以上轧制过程至100道次，得到中间材料；
41.(3)密封压实：
42.将圆柱形铜管的一端用铜片密封，在将所述中间材料置于铜管内部，随后用铜片密封铜管的另一端，内含中间材料的密封铜管置于液压机下压实后得到块体材料，由于中间材料被铜层包裹，可以避免中间材料在后续操作中的高温氧化；
43.(4)高温热轧：
44.对所述块体材料进行4次热处理-热轧压薄循环，将块体材料置于马沸炉中，第1次在600℃保温30min，随后立即将块体材料从马沸炉中取出并进行热轧压薄，压薄后将其重新置于马沸炉中进入下次循环；第2次与第3次均在650℃保温30min，热轧压薄操作不变；第4次在700保温30min，热轧压薄操作依旧不变；4次热处理-热轧压薄循环后，其在厚度方向上形变的累积压下量为70％，随后去除块体材料中合金与铜管的扩散区部分，回收中间部分，得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，记为fecutialzn。
45.采用光学显微镜对所得高熵层状过渡层材料的微观形貌进行观察。由图1可以看出，当经历了100道次轧制处理和高温热轧后，材料仍然保持着其非均匀层状结构。采用扫描电镜观察所得高熵层状过渡层材料的微观形貌，并测定材料中不同元素的元素能谱分布。由图2中a～c图可以看出，材料中形成了fecualti晶粒，并在晶界处有富锌的析出物；由d～h图可以看出，各元素在层状结构中分布均匀。图3是高熵层状过渡层材料的x射线衍射结果图片，如图所示，本实施例得到了一种铁铜钛铝高熵金属间化合物，并有单质锌的x射线衍射峰相对应。
46.结合元素的能谱分布图片和x射线衍射衍射峰，可以发现在该合金中，锌几乎没有参与高熵金属间化合物的生成，被剩余下来在晶界富集，锌在这里与内部晶粒组织形成多相结构，在晶界析出的锌由于其本身塑韧性好，优化了合金的晶界结合状况。
47.采用迈格-h200型显微硬度计对该合金进行硬度测试，载荷为500g，保载时间为10s，测量10个独立且随机的点，最终取平均值。结果显示，fecutialzn合金的硬度可达623.8hv。
48.实施例2
49.用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，采用如下方法制备而成：
50.(1)预处理：
51.切取厚度均匀，长宽尺寸为100mm
×
50mm的铁片、铜片、钛片和铝片，对金属片表面进行打磨和清理以去除表面杂质，根据等摩尔比例的原则，称取相应质量的铁片、铜片、钛片和铝片，将各金属片随机叠放至一起，得到叠层胚料；
52.(2)轧制处理：
53.在室温无润滑的条件下采用工业轧机对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，每道次叠层胚料厚度形变的压下量为50％，重复以上轧制过程至100道次，得到中间材料；
54.(3)密封压实：
55.将圆柱形铜管的一端用铜片密封，在将所述中间材料置于铜管内部，随后用铜片密封铜管的另一端，内含中间材料的密封铜管置于液压机下压实后得到块体材料，由于中间材料被铜层包裹，可以避免中间材料在后续操作中的高温氧化；
56.(4)高温热轧：
57.对所述块体材料进行4次热处理-热轧压薄循环，将块体材料置于马沸炉中，第1次在600℃保温30min，随后立即将块体材料从马沸炉中取出并进行热轧压薄，压薄后将其重新置于马沸炉中进入下次循环；第2次与第3次均在650℃保温30min，热轧压薄操作不变；第4次在700保温30min，热轧压薄操作依旧不变；4次热处理-热轧压薄循环后，其在厚度方向上形变的累积压下量为70％，随后去除块体材料中合金与铜管的扩散区部分，回收中间部分，得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，记为fecutial。
58.采用光学显微镜对轧制处理后的中间材料及高温热轧后所得的高熵层状过渡层材料的微观形貌进行观察。由图4可以看出，轧制100道次后，各金属片层逐渐细化；由图5可以看出，高熵层状过渡层材料仍然保持着其非均匀层状结构。图6为高熵层状过渡层材料的x射线衍射结果图片，如图所示，热轧后得到了一种单相铁铜钛铝高熵金属间化合物。
59.采用迈格-h200型显微硬度计对该合金进行硬度测试，载荷为100g，保载时间为10s，测量10个独立且随机的点，最终取平均值。结果显示，fecutial合金硬度可达732.5hv。
60.实施例3
61.用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，采用如下方法制备而成：
62.(1)预处理：
63.切取厚度均匀，长宽尺寸为100mm
×
50mm的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，对金属片表面进行打磨和清理以去除表面杂质，根据等摩尔比例的原则，称取相应质量的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，将各金属片随机叠放至一起，得到叠层胚料；
64.(2)轧制处理：
65.在室温无润滑的条件下采用工业轧机对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，每道次叠层胚料厚度形变的压下量为70％，重复以上轧制过程至40道次，得到中间材料；
66.(3)密封压实：
67.将圆柱形铜管的一端用铜片密封，在将所述中间材料置于铜管内部，随后用铜片密封铜管的另一端，内含中间材料的密封铜管置于液压机下压实后得到块体材料，由于中
间材料被铜层包裹，可以避免中间材料在后续操作中的高温氧化；
68.(4)高温热轧：
69.对所述块体材料进行2次热处理-热轧压薄循环，将块体材料置于马沸炉中，2次循环均为在700℃保温30min，随后立即将块体材料从马沸炉中取出并进行热轧压薄，压薄后将其重新置于马沸炉中进入下次循环；2次热处理-热轧压薄循环后，其在厚度方向上形变的累积压下量为90％，随后去除块体材料中合金与铜管的扩散区部分，回收中间部分，得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料。
70.实施例4
71.用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，采用如下方法制备而成：
72.(1)预处理：
73.切取厚度均匀，长宽尺寸为100mm
×
50mm的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，对金属片表面进行打磨和清理以去除表面杂质，根据等摩尔比例的原则，称取相应质量的铁片、铜片、钛片、铝片和锌片，将各金属片随机叠放至一起，得到叠层胚料；
74.(2)轧制处理：
75.在室温无润滑的条件下采用工业轧机对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，每道次叠层胚料厚度形变的压下量为70％，重复以上轧制过程至40道次，得到中间材料；
76.(3)密封压实：
77.将圆柱形铜管的一端用铜片密封，在将所述中间材料置于铜管内部，随后用铜片密封铜管的另一端，内含中间材料的密封铜管置于液压机下压实后得到块体材料，由于中间材料被铜层包裹，可以避免中间材料在后续操作中的高温氧化；
78.(4)高温热轧：
79.对所述块体材料进行5次热处理-热轧压薄循环，将块体材料置于马沸炉中，5次循环均为在600℃保温60min，随后立即将块体材料从马沸炉中取出并进行热轧压薄，压薄后将其重新置于马沸炉中进入下次循环；5次热处理-热轧压薄循环后，其在厚度方向上形变的累积压下量为70％，随后去除块体材料中合金与铜管的扩散区部分，回收中间部分，得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料。
80.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预处理：准备尺寸规格统一的铁片、铜片、钛片、铝片，得到金属片；去除其表面杂质，根据等摩尔比例称取相应质量的金属片，将其随机叠放至一起，得到叠层胚料；(2)轧制处理：对所述叠层胚料进行轧制，记一道次为轧制一次，每道次轧制后将叠层胚料沿轧制方向对折，再进行下一道次轧制，重复以上轧制过程至预定道次，得到中间材料；(3)密封压实：将所述中间材料置于金属容置件内部，经密封、压实，得到块体材料；(4)高温热轧：对所述块体材料进行热处理，热处理后进行热轧压薄，重复热处理-热轧压薄过程至预定循环次数，最后回收得到用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述金属片除铁片、铜片、钛片、铝片外，还包括锌片。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述轧制的每道次叠层胚料厚度形变的压下量为50％～70％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述轧制的预定道次总数为40～100道次。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述金属容置件由易于加工并具有良好延展性的金属或金属合金制成。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述金属容置件为可两端封闭的圆柱形金属管，金属管由铜制成。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述热处理为在600～700℃保温30～60min。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述热处理-热轧压薄的循环次数为2～5次。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述块体材料经热处理-热轧压薄后在厚度方向上形变的累积压下量为70～90％。10.一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料，其特征在于：采用如权利要求1～9任一项所述的制备方法制备而成。

技术总结
本发明公开了一种用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料及其制备方法，属于合金或有色金属的处理技术领域。本发明将片状金属堆叠在一起，在室温下进行轧制，轧制后沿长度方向对折，循环轧制至预定道次，随后将所得中间样品制成块体材料；块体材料经热处理-热轧压薄，最终获得用于钛-钢连接的高熵层状过渡层材料。本方法通过金属发生剧烈塑性变形，使层间距减小，轧制后各金属之间发生部分固溶，经过热处理后，元素扩散完成并保持层状的非均匀结构，并通过热轧压薄，进一步降低合金缺陷。本发明工艺简单，所制得的合金为单相结构，并具备较高的硬度。的硬度。的硬度。


技术研发人员：梅青松 谭媛媛 陈子豪 廖凌祎 彭宇琦
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/9