一种钛/铝/钛三层复合板的热轧复合方法

摘要

一种钛/铝/钛三层复合板的热轧复合方法，主要是将钛合金板和铝合金板分别在650～850℃和350～500℃进行退火，时间为30～60min，对上述板材经过机械打磨和表面处理之后，按照钛/铝/钛的顺序叠放在一起并将其端部铆接，构成一块三层叠板，将其放入电阻炉中进行预热，预热温度为350～550℃，预热时间6～10min后，将其送入轧机进行轧制，轧制速度为0.3～0.8m/s，热轧变形量为35～50%，在450～500℃进行扩散退火，时间为1～2h。本发明工艺简单、可靠，易于实现大规模工业化生产，制备出的复合板三层复合界面结合紧密，具有80MPa以上的结合强度，无明显的显微空洞和脆性金属间化合物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金复合板的制备方法。

背景技术

钛合金作为结构材料，具有耐腐蚀、耐高温和抗冲击等优异的性能，在航空航天领域得到了广泛地应用。但是，其应用受到高成本的限制。铝合金比重小、导热性能好价格低，但是由于其耐腐蚀和耐高温冲击性比较差，不能单独用于高温和腐蚀性的环境中。钛/铝/钛复合板兼有铝的低比重、高导热性和钛的耐高温、耐腐蚀的特点，且能降低钛合金使用量，在航空航天、石油化工等领域具有十分广阔的应用前景。但由于钛和铝的物理性能尤其是线膨胀系数存在较大的差异，实际生产中常存在钛合金断裂的现象，而且在高温下二者会反应生成脆性中间化合物导致结合界面脆化，结合强度急剧降低。另外钛合金和铝合金的表面氧化层，对复合板的结合也存在不利影响。这些问题都是亟待解决的。

目前制备钛/铝/钛复合板的方法有多种，主要有爆炸复合、钎焊、扩散焊、摩擦焊及轧制复合等，但研究主要停留在试验阶段，难以实际应用。

（1）爆炸复合：此种工艺操作难度较大，而且爆炸焊制备的复合板组织分布不均匀，存在大量宏观和微观缺陷，对后续的加工和使用非常不利，而且难以获得大面积复合板。

（2）钎焊：钎焊结合处的结合强度受到钎料自身的强度限制所以不高，而且在铺设钎料的过程中极易造成钎料分布不均匀，出现漏焊等现象，操作复杂。

（3）扩散焊接：利用扩散焊接可获得与基体性能一致的接头，没有宏观的变形，接头残余应力小；但扩散焊接产品界面的力学性能较差，且对生产设备的要求也较高。

（4）摩擦焊：摩擦焊焊接接头质量高，性能稳定；焊接艺参数容易控制，操作简单，易于实现机械化和自动化。但是焊接零件的形状受到一定限制，无法大面积生产，可焊的最大工件断面受主轴功率和顶锻压力的制约设备投资大，且只能单件生产，效率低。

（5）轧制复合：此种方法成本低、产量高、尺寸精度高，能生产较长和较宽的制品，工艺及装备较为成熟，易于实现大规模工业化生产。

专利号为200810058674.1、名称为“一种钛/铝复合板及其制备方法”的发明，公开了一种包括采用热轧复合的钛/铝/钛复合板及其制备方法，但是该方法中缺少钛合金板、铝合金板复合之前的预退火处理和复合后的扩散复合处理，不能保证得到复合效果优良的钛/铝钛复合板。专利号为96104978.2、名称为“一种铝-钛-铝钎焊三层轧制复合板及其使用方法”的发明，公开了一种采用钎焊法制备铝钛复合板的方法，但是该发明中的制备方法较为繁琐，而且在钎焊过程中钎料中存在的不可避免的杂质对复合板的力学性能产生很大影响，采用这种方法生产的板材结合强度也相对较低。专利号为200710178258.0、名称为“一种层状钛铝复合板及其制备方法”，爆炸焊接成本较高，技术难度较大，爆炸过程中板材的变形率较难控制，产品的成品率相对较难控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、复合界面结合紧密、成品率高的钛/铝/钛三层复合板的热轧复合方法。本发明主要是采用退火预处理、轧制和扩散退火工艺制备钛/铝/钛三层复合板。

本发明的技术方案如下：

（1）退火处理：将厚度为0.8～1mm钛合金板和厚度为2～3mm的铝合金板裁剪成长宽尺寸相同，对上述钛合金和铝合金板进行退火处理，退火温度分别为650～850℃和350～500℃，退火时间为30～60 min，使两种不同的金属表面复合时塑性相匹配。

（2）打磨清洁：将上述经过退火处理的钛合金板和铝合金板进行机械打磨，使之形成具有合理粗糙度的复合表面，然后进行表面清洁处理，去除其表面氧化膜和油脂。

（3）预热轧制：将上述钛合金板和铝合金板按照钛/铝/钛的顺序叠放在一起，在其一端两侧打孔用纯铝铆钉铆接，构成一块三层叠板，最好将三层叠板的铆接端（头部）打磨成楔形，将该三层叠板放入电阻炉中进行预热，预热温度为350～550℃，时间为6～10 min，之后从上述三层叠板的楔形端将其送入轧机进行轧制，轧制速度为0.3～0.8 m/s，热轧变形量为35～50%。

（4）退火处理：将上述叠层复合板放入马弗炉中进行扩散退火处理，退火温度为450～500℃、时间为1～2 h。

在350～550℃进行轧制，板材的塑性得到了一定程度的提高，降低了对轧制设备的功率要求，更容易在实际生产中实施；从上述三层叠板的铆接端进入轧辊间隙开始轧制，可使三层叠板在轧制过程中顺序压合复合，不发生板间残留空隙及出现折叠、表面显著的波状起伏等缺陷。对上述复合板进行扩散退火处理，可使钛/铝复合界面两侧的元素相互扩散，强化复合效果，提高复合结合强度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）钛/铝/钛三层复合界面结合紧密，无明显的显微空洞和脆性金属间化合物；钛板未断裂，经拉剪实验检测结合强度为80 MPa以上，断口出现在铝侧，证明结合良好；扩散层厚度为4.3 μm～4.6 μm。

（2）所制得的钛/铝/钛复合板，与同样厚度的钛合金板材相比，比重显著降低，导热性能得改善；与同样厚度的铝合金板材相比，其综合力学性能得到了巨大的提升，耐腐蚀和耐冲击性能也得到了改善。

（3）工艺简单、可靠，易于实现大规模工业化生产，而且复合板板型较好，易于平整，钛板厚度均匀，可以进行进一步深加工。

附图说明

图1为本发明实施例1中的复合界面区域金相图。

图2为本发明实施例1中的界面Al和Ti元素的分布曲线及扩散层厚度图。

具体实施方式

实施例1:

取长度100 mm×宽度75 mm×厚度1 mm的钛合金板2块和长度100 mm×宽度75 mm×厚度3 mm的铝合金板1块，将钛合金和铝合金板分别放入马弗炉中，温度分别为850℃和450℃，退火时间为30 min。将上述钛合金板和铝合金板经过机械打磨和除油处理，并将板材按照钛/铝/钛的次序叠放在一起构成三层金属叠板，在该板的一端两侧打孔，用纯铝铆钉将其铆接在一起，并将该端打磨成楔形，再将该板放入马弗炉中加热到550℃，保温6min，之后从上述三层叠板的楔形端将其送入轧机进行轧制，轧制速度为0.3m/s，变形量为40%

（                                                ）。

将上述轧制复合后的复合板在马弗炉中进行扩散退火，退火温度为500℃，保温时间为1 h。

如图1所示，钛合金板1和铝合金板2的结合界面3非常紧密，无明显的显微空洞、焊缝以及脆性金属间化合物，界面两侧晶粒均匀。在拉伸试验机上测定复合板材的结合强度和抗拉强度，测得其结合强度为92 MPa（），抗拉强度为753 MPa。在拉剪实验中断口出现在铝侧，证明结合良好。如图2所示，扩散层的厚度为4.6 μm。

实施例2:

取长度100 mm×宽度75 mm×厚度0.8 mm的钛合金板2块和长度100 mm×宽度75 mm×厚度2 mm的铝合金板1块，将钛合金和铝合金板分别放入马弗炉中，温度分别为750℃和350℃，退火时间为50 min。

将上述钛合金板和铝合金板经过机械打磨和除油处理，并将板材按照钛/铝/钛的次序叠放在一起构成三层金属叠板，在该板的一端两侧打孔，用纯铝铆钉将其铆接在一起，并将该端打磨成楔形，再将该板放入马弗炉中加热到450℃，保温8min，之后从上述三层叠板的楔形端将其送入轧机进行轧制，轧制速度为0.5m/s，变形量为35%，将上述轧制复合后的复合板在马弗炉中进行扩散退火，退火温度为470℃，保温时间为1.5 h。

实施例3:

取长度100 mm×宽度75 mm×厚度0.9 mm的钛合金板2块和长度100 mm×宽度75 mm×厚度2.5 mm的铝合金板1块，将钛合金和铝合金板分别放入马弗炉中，温度分别为650℃和450℃，退火时间为60 min。

将上述钛合金板和铝合金板经过机械打磨和除油处理，并将板材按照钛/铝/钛的次序叠放在一起构成三层金属叠板，在该板的一端两侧打孔，用纯铝铆钉将其铆接在一起，并将该端打磨成楔形，再将该板放入马弗炉中加热到350℃，保温10min，之后从上述三层叠板的楔形端将其送入轧机进行轧制，轧制速度为0.8m/s，变形量为50%，将上述轧制复合后的复合板在马弗炉中进行扩散退火，退火温度为450℃，保温时间为2 h。