一种航天非金属基复合材料结构连接用Ti-V-Al轻质记忆合金功能化处理方法

摘要

本发明公开了一种航天非金属基复合材料结构连接用Ti-V-Al轻质记忆合金功能化处理方法，属于航天复合材料技术领域，本发明的方法是将电弧熔炼的Ti-V-Al合金铸锭固溶处理后进行热轧，到一定厚度后重新固溶处理并淬火，之后进行冷轧。对冷轧后的试样进行退火处理，即得到具有优异形状记忆效应的Ti-V-Al轻质记忆合金。本发明能大幅提高Ti-V-Al合金形状记忆效应，其完全可逆应变达到7.5％，是除TiNi合金外的最高值。经过热机械处理后的Ti-V-Al合金是一种在航空航天领域极具潜力的复合材料结构连接用轻质记忆合金。

说明书

技术领域

本发明涉及航天复合材料技术领域，尤其涉及一种航天非金属基 复合材料结构连接用Ti-V-Al轻质记忆合金功能化处理方法。

背景技术

航空航天工业发展中，设计师一直致力于飞行器质量的轻量化。 现代非金属基复合材料具有高的比刚度和比强度，已成为现代飞行器 首选结构材料之一。飞行器的结构减重可带来极其可观的收益。例如， 对一枚小型洲际导弹弹头，减重1Kg，在有效载荷不变的情况下射程 将增加15km。对于国际通信卫星V号而言，其中心承力筒铝合金改 为复合材料结构，可减重9kg，仅此一项可使卫星增加2000条通信 线路，运行期间可增加盈利3000万美元，相当于330万美元的收益。

形状记忆合金是一类具有形状记忆效应和超弹性的结构功能一 体化材料，在航空航天领域有着广泛的应用，其中最为成功的应用是 作为连接件，包括管接头和紧固铆钉等。利用其形状记忆特性，可以 实现非金属基复合材料的均载连接，避免冲击振动引起构件破坏。目 前记忆合金连接件常用的是TiNi合金，其具有大完全可逆应变(约 8％)。但是TiNi合金的密度较大(约6.9g/cm³)，大量应用将显著降 低火箭的有效载荷。随着航天领域对结构减重的迫切需求，开发具有 大完全可逆应变特性的新型复合材料连接用轻质记忆合金已成为相 关领域研究热点。

Ti-V-Al合金是一种轻质记忆合金，其密度仅为4.5g/cm³，与纯钛 相当，在航空航天领域具有广泛的应用前景。但是其形状记忆效应与 TiNi合金相比还有较大差距，其完全可逆应变仅为3％，无法达到连 接件的使用要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决Ti-V-Al合金的形状记忆效应较低的问 题，提出了一种提高其形状记忆效应的热机械处理方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明的提高复合材料结构连接用Ti-V-Al轻质记忆合金的功能 化处理方法的具体步骤如下：

(1)Ti-V-Al合金以高纯钛、V和Al为原料，采用非自耗电弧熔炼 炉熔炼，在真空下以氩气保护状态下制备；

(2)步骤(1)熔炼后的铸锭经机械抛光去除表面杂质，将铸锭在 600℃-1200℃下真空保温2～24小时以实现合金成分均匀化，然后快 速淬入冰盐水中，以形成热弹性马氏体；

(3)将热处理后的铸锭在800℃-900℃下保温20-40min后热轧，每 次下轧量为10％，之后重新回炉保温5分钟，之后再继续热轧，当板 材厚度为4mm时停止热轧；

(4)将热轧后的板材在800-1000℃下保温半小时后，快速淬入冰盐 水中以获得马氏体，用砂轮将热轧造成的表面缺陷打磨干净；

(5)将热轧后的板材进行冷轧，每次下轧量为2％，每道次轧制后用 砂轮将冷轧造成的裂纹和表面缺陷打磨干净，冷轧至1.6mm时停止， 总变形量为60％；

(6)将冷轧后的板材进行线切割后，封入真空度10^-4～10^-5Torr的石 英管中，放入热处理炉中进行退火处理，退火温度为650℃-800℃， 时间为0.5小时，获得处理后的马氏体。

所述的Ti-V-Al轻质记忆合金为Ti-13V-3Al合金，其中Ti的原子 个数比为84％，V的原子个数比为13％，Al的原子个数比为3％。

步骤(1)中，原料高纯钛、V、和A的纯度为99.99wt.％。

步骤(1)中，真空熔炼的真空度为1×10^-4Pa～1×10^-5Pa。。

步骤(1)中，熔炼过程中，为保证合金成分的均匀性，每个铸 锭被反复翻转熔炼六次并加以磁力搅拌。

步骤(2)中，优选将铸锭在900℃下真空保温2小时以实现合 金成分均匀化。

步骤(3)中，优选热处理后的铸锭在850℃下保温30min。

步骤(4)中，优选热轧后的板材在900℃下保温。

步骤(6)中，优选退火温度为700℃。

本发明的积极效果如下：

本发明通过一种新的热机械处理方法对非自耗电弧熔炼的 Ti-V-Al合金进行处理，大幅提高其形状记忆效应，其完全可逆应变 达到7.5％，是除TiNi合金外的最高值。此外，该合金密度为4.53g/cm³， 低于密度为6.9g/cm³的TiNi合金。经过热机械处理后的Ti-V-Al合金是 一种在航空航天领域极具潜力的复合材料结构连接用轻质记忆合金。

附图说明

图1为变形量为6％时不同退火温度Ti-13V-3Al合金的室温加载-卸 载曲线；

图中，1-退火温度650℃、2-退火温度900℃、3-退火温度700℃、 4-退火温度750℃、5-退火温度800℃。

图2为变形量为7.5％时700℃退火0.5小时Ti-13V-3Al合金的室温加载- 卸载曲线。

由图2可以看出，本发明的方法处理后的马氏体在7.5％变形后变 形可以完全恢复，没有残余应变。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

具体实施方式一：

本实施方式中Ti-V-Al合金由Ti，V和Al三种元素构成，其中 Ti的原子个数比为84％，V的原子个数比为13％，Al的原子个数比 为3％。

本实施方式中Ti-13V-3Al合金是采用纯度为99.95wt.％的海绵钛、 99.99wt.％的V、99.99wt.％的Al为原料，采用非自耗电弧熔炼炉熔炼， 在真空抽至5×10^-3Pa后制备。为保证合金成分的均匀性，每个铸锭被 反复翻转熔炼六次并加以磁力搅拌。

熔炼后的铸锭经机械抛光去除表面杂质后重量约为60g。将铸锭 在900℃下真空保温2小时以实现合金成分均匀化，然后淬入水中， 以形成热弹性马氏体。

将热处理后的铸锭在850℃下保温半小时后热轧，每次下轧量为 10％，之后重新回炉保温五分钟，之后再继续热轧。当板材厚度为4mm 时停止热轧。

将热轧后的板材在900℃下保温半小时后淬入水中以获得马氏 体。用砂轮将热轧造成的表面缺陷打磨干净。

将热轧后的板材进行冷轧，每次下轧量为2％。每道次轧制后用砂 轮将冷轧造成的裂纹和表面缺陷打磨干净。冷轧至1.6mm时停止， 总变形量为60％。

将冷轧后的板材进行线切割后，封入抽真空的石英管中，放入热 处理炉中进行退火处理，退火温度分别为650℃，700℃，750℃，800℃， 时间为0.5小时。另取一组样品进行固溶处理，固溶温度为900℃， 时间为1小时。之后将石英管淬入水中并打碎，以获得马氏体。

将退火处理(固溶处理)后的拉伸试样标记一定长度l₀后在室温 下进行拉伸，拉伸速率为1％/分钟，不同热处理工艺的试样均应变至 6％后卸载。将卸载后的试样加热至马氏体逆转变结束温度A_f之上保 温一分钟，使其形状回复，之后测量回复后的标记长度l₁，由公式：

[1-(l₁-l₀)/0.06l₀]×6％

计算其可恢复应变。

由上述实验得出700℃退火0.5小时可以得到最佳的形状记忆效 应。

将700℃退火0.5小时后的Ti-13V-3Al合金进行不同拉伸变形量 的加载-卸载实验，并按上述方法测定其可逆应变。结果显示，合金 的最大可逆应变为7.5％。超过此变形量，合金将发生不可逆变形， 无法完全形状回复。

本实施方式的有益效果是：本发明通过一种新的热机械处理方法 对非自耗电弧熔炼的Ti-V-Al合金进行处理，大幅提高其形状记忆效 应，其完全可逆应变达到7.5％，是除TiNi合金外的最高值。此外， 该合金密度为4.53g/cm³，低于密度为6.9g/cm³的TiNi合金。经过热 机械处理后的Ti-V-Al合金是一种在航空航天领域极具潜力的复合材 料结构连接用轻质记忆合金。

具体实施方案二：

本实施方式与具体实施方案一不同的是：室温拉伸试验的拉伸速 率为3％/min。

具体实施方案三：

本实施方案与具体实施方案一和二不同的是：固溶处理温度为 850℃。

具体实施方案四：

本实施方案与具体实施方案一至三不同的是：合金熔炼后线切割 成四块，酸洗去除氧化皮后重新熔炼三到四遍。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术 人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这 些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权 利要求及其等同物限定。