CN108080804B - 一种Ti-Al3Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Ti‑Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，通过气压热压复合的工艺对按照预定的顺序叠加的Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行处理，并结合超塑成形/扩散连接技术制备Ti‑Al₃Ti层状复合材料的空心夹层结构。本发明采用气压进行热压复合制备Ti‑Al₃Ti层状复合材料工艺过程中，结合超塑成形/扩散连接工艺，实现Ti‑Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的成形与制备在同一过程中完成，该工艺方法可有效降低成本，提高制造效率。另外，还可以通过控制Ti‑Al₃Ti层状复合材料的层间距、层厚比，进而可以调控材料的性能。

Description

一种Ti-Al3Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料成形技术领域，特别是涉及一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法。

背景技术

贝壳中珍珠层的叠层结构是其高断裂韧性的根源。人们模拟这种结构设计出一种层状复合材料，使其兼具2种或2中以上组合材质的优点，性能上明显优于相应的单体材料。在目前的几个研究领域中，金属-金属间化合物层状复合材料由于其更为优异的高温韧性、抗蠕变能力、低温断裂强度、断裂韧度、热循环过程中的抗氧化性、较高温度时的微结构热力学稳定性等，备受航空航天领域的关注，如铝基层状复合材料作为航空飞行器机身蒙皮。

Ti-Al₃Ti层状复合材料用高温金属Ti作韧化元素，利用Ti层良好的变形能力，能够防止裂纹尖端的形成，很好地克服了金属间化合物Al₃Ti脆性大这一缺点，从而使Ti-Al₃Ti层状复合材料具有良好的损伤容限性能，既有较高的比压缩强度，又有良好的比断裂韧性，并且具有较宽的性能调整范围，同时通过改变层状复合材料中各层的厚度和组分体积分数即可调整所需的力学和热处理性能，在航空航天等领域应用潜力巨大。

Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备工艺主要有轧制复合、热压复合和电子束气相沉积工艺。轧制复合工艺制备Ti-Al₃Ti层状复合材料，其工艺流程就是将表面清洁处理后的箔片交替层叠,然后放在轧制机上在一定的温度与变形量下进行轧制复合反应，最终制备出层状复合材料。中国科学院金属研究所采用纯钛包套热轧工艺制备了Ti-Al₃Ti层状复合材料，研究表明Ti/Al叠层箔片经过950℃的热轧可以制备出Ti-Al₃Ti交替叠层的层状复合材料。热压复合是将Ti/Al箔按一定比例进行交替层叠，加热到一定温度后，施加一定的压力进行层间扩散，一定时间后再在一定的温度和压力下进行反应，最终形成各层交替连接的致密组织结构。电子束气相沉积是以电子束为热源的一种蒸镀方法，电子束通过磁场或电场聚焦在蒸发源锭子上，使材料熔化，然后在真空环境下蒸发源材料的气相原子以直线形式从熔池表面运动到基片表面沉积成膜。电子束气相沉积方法制备微叠层复合材料时，应分别将不同的材料进行熔化蒸发，逐层沉积到基体材料表面，从而制备出单层厚度小、结合性能良好的微叠层复合材料。电子束物理气相沉积速率高，特别是大功率电子束物理气相沉积技术的发展，使制备大尺寸微叠层复合材料成为可能。哈尔滨工业大学采用电子束气相沉积法制备了大尺寸Ti/TiAl叠层复合材料，发现随着层间距的减小或TiAl层厚的增加，叠层复合材料的硬度增加；而且Ti/TiAl叠层复合材料对改善TiAl的室温脆性具有明显的作用。叠层复合材料在500~800℃之间受到TiAl的反常强化作用，强度降低不明显。

空心夹层结构具有比强度高、比模量高、减振降噪、抗疲劳性能好和可设计性强等普通结构所不能比拟的优点，被广泛应用于航空航天以及海洋结构物等对结构自重、结构强度和隐蔽性都有较高要求的工程实际中。

通常制备空心夹层结构的主要工艺方法有超塑成形/扩散连接工艺和蜂窝钎焊工艺。超塑成形/扩散连接工艺是对表面涂敷有止焊剂图形的金属板材，与两层或三层板材叠加后封焊，在一定温度、气压和时间的条件下，板材之间进行扩散连接，完成连接后对板材之间通入氩气，完成蒙皮与立筋的成形，最终形成空心夹层结构。蜂窝钎焊工艺是通过钎焊方法将蜂窝芯体和上、下面板连接可形成金属蜂窝夹层结构。目前已经在国内外航空、航天领域得到广泛研究和应用，如应用于飞机机身、机翼、发动机短舱排气喷嘴等部位。

现有的复合方法制备Ti-Al₃Ti层状复合材料存在层间距、层厚比难以控制，从而难以对材料的性能进行灵活调控的问题，若制备具有复杂曲面外形的Ti-Al₃Ti层状复合材料较为困难。而且现有的制备方法难以结合超塑成形/扩散连接技术使Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备和空心结构的成形在一个过程中完成。

发明内容

本发明的一个目的在于提出可以控制Ti-Al₃Ti层状复合材料的层间距、层厚比，从而可以调控材料的性能，又可以结合超塑成形/扩散连接技术使Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备和空心结构的成形在一个过程中完成的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法。

本发明提供了一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，通过气压热压复合的工艺对按照确定的顺序叠加的Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行处理，制备Ti-Al₃Ti层状复合材料，并结合超塑成形/扩散连接技术制备Ti-Al₃Ti层状复合材料中的空心夹层结构。

本发明采用气压进行热压复合，结合超塑成形/扩散连接技术使Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备和空心结构的成形在一个过程中完成，该工艺方法可有效降低成本，提高制造效率。同时还可以控制Ti-Al₃Ti层状复合材料的层间距、层厚比，从而可以调控材料的性能。

具体地，所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法包括：

11）选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗；

12）在钛合金薄板的上下两面按照设计的图形涂敷止焊剂；

13）将涂敷止焊剂的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层均为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板；

14）对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在多层板的侧面留出外气道，在另一侧的中间钛合金薄板与两侧Ti箔之间留出内气道，并在留出的气道处均焊接通气管；

15）对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600~750℃，然后对表面施加3~8MPa的气压，保温、保压6~12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层；

16）将炉温升至780~940℃，对多层板表面施加1.0~3.0MPa的气压，保温、保压30min~2h，使中间的钛合金薄板与两侧的Ti箔完成扩散连接；

17）通过通气管对多层板内气道通入1.0~3.0MPa的氩气，保温、保压1~2h，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构。

进一步地，所述步骤11）中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。

进一步地，所述步骤13）中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。

进一步地，所述步骤16）还包括将多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构。

具体地所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法还包括：

21）选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗；

22）取一张按照设计的图形涂敷止焊剂的钛合金薄板，将带有止焊剂面与另外一张相同规格无止焊剂的钛合金薄板相向贴合；

23）对贴合的钛合金薄板进行封边并在侧面留出内气道，在内气道处焊接通气管；

24）将贴合的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板；

25）对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在内气道对侧，贴合的两张钛合金薄板与两侧的Ti箔处留出第一外气道，在第三个侧边两张最外层Ti箔或钛合金薄板之间留出第二外气道，并在留出的外气道处均焊接通气管；

26）对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600~750℃，然后对表面施加3~8MPa的气压，保温、保压6~12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层；

27）将炉温升至780~940℃，对第一外气道通入1.0~3.0MPa气压，保压、保温30min~2h，使中间两张钛合金薄板实现扩散连接，同时使生成的Ti-Al₃Ti层状复合材料与外部设置的模具贴模；

28）对内气道施加1.0~3.0MPa的气压，保温、保压1~2h，两张钛合金板材成形，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构。

进一步地，所述步骤21）中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。

进一步地，所述步骤24）中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。

进一步地，所述步骤27)还包括将；多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例的钛箔、铝箔和钛合金薄板叠加方式的示意图；

图3为本发明实施例的钛合金薄板上下面涂敷止焊剂图形的示意图；

图4为本发明实施例的多层板点焊位置的示意图；

图5为本发明实施例的多层板封边位置的示意图；

图6为本发明实施例的通气管焊接位置的示意图；

图7为本发明实施例的一种成形后Ti-Al₃Ti层状复合材料的的结构示意图；

图8为本发明实施例的一种成形后Ti-Al₃Ti层状复合材料的的结构示意图；

图9为本发明实施例的又一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法的流程图；

图10为本发明实施例的一种成形后Ti-Al₃Ti层状复合材料的的结构示意图；

图11为本发明实施例的一种成形后Ti-Al₃Ti层状复合材料的的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，通过气压热压复合的工艺对按照确定的顺序叠加的Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行加工，制备Ti-Al₃Ti层状复合材料，并结合超塑成形/扩散连接技术制备Ti-Al₃Ti层状复合材料中的空心夹层结构。本发明采用气压进行热压复合，结合超塑成形/扩散连接技术使Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备和空心结构的成形在一个过程中完成，该工艺方法可有效降低成本，提高制造效率。同时还可以控制Ti-Al₃Ti层状复合材料的层间距、层厚比，从而可以调控材料的性能。

实施例一

具体地，所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，如图1所示，包括：

11）选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗。

12）在钛合金薄板的上下两面按照设计的图形涂敷止焊剂。如图3所示，所述设计的图形根据成形后的复合材料的内部结构和形状进行确定。

13）将涂敷止焊剂的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层均为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板。如图2所示，其中钛合金薄板1置于中间，其两侧贴附Ti箔2，然后再外侧设置Al箔3，依次交替。

14）对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在多层板的两侧面留出气道，并在留出的气道处焊接通气管。如图4所示，焊点位于多层板的四个顶点处，如图5所示，对多层板的四周均进行封焊，留出外气道5和内气道6，用于焊接通气管。

15）对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600~750℃，然后对表面施加3~8MPa的气压，保温、保压6~12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层。

16）将炉温升至780~940℃，对多层板表面施加1.0~3.0MPa的气压，保温、保压30min~2h，使中间的钛合金薄板与两侧的Ti箔完成扩散连接。

17）通过通气管对多层板内气道通入1.0~3.0MPa的氩气，保温、保压1~2h，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构，如图7所示，包括表层的钛合金薄板7和中间的Ti-Al3Ti层状复合材料8。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤11）中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。Kroll溶液为酸性溶液，能有效清除Ti箔、Al箔及钛合金薄板表面有碍扩散连接的污染物。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤13）中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。如图5所示，最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大可以将里面的板坯至于其中，有利于密封焊接并在其中发生反应。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤16）还包括将多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构，如图8所示。

实施例二

具体地，所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，如图9所示，包括：

21）选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗。

22）取一张按照设计的图形涂敷止焊剂的钛合金薄板，将带有止焊剂面与另外一张相同规格无止焊剂的钛合金薄板相向贴合。所述设计的图形根据成形后的空心结构的内部结构和形状进行确定。

23）对贴合的钛合金薄板进行封边并在侧面留出内气道，在内气道处焊接通气管。

24）将贴合的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层均为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板。

25）对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在内气道对侧，贴合的两张钛合金薄板与两侧的Ti箔处留出第一外气道，在第三个侧边两张最外层Ti箔或钛合金薄板之间留出第二外气道，并在留出的外气道处均焊接通气管；。

26）对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600~750℃，然后对表面施加3~8MPa的气压，保温、保压6~12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层。

27）将炉温升至780~940℃，对第一外气道通入1.0~3.0MPa气压，保压、保温30min~2h，使中间两张钛合金薄板实现扩散连接，同时使生成的Ti-Al₃Ti层状复合材料与外部设置的模具贴模。

28）对内气道施加1.0~3.0MPa的气压，保温、保压1~2h，两张钛合金板材成形，形成立筋夹层结构，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构，如图10所示，包括表层的钛合金薄板7和中间的Ti-Al3Ti层状复合材料8。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤21）中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。Kroll溶液为酸性溶液，能有效清除Ti箔、Al箔及钛合金薄板表面有碍扩散连接的污染物。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤24）中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大可以将里面的多层板板坯置于其中，有利于密封焊接并在其中发生反应。

在本发明实施例的一个方面，所述步骤27)还包括将多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构，如图11所示。

本发明采用对Ti-Al₃Ti层状复合材料的制备与空心夹层结构成形一体化方法，实现了Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的成形与制备在同一过程中完成，该工艺方法可有效降低成本，提高制造效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，通过气压热压复合的工艺对按照确定的顺序叠加的Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行加工，制备Ti-Al₃Ti层状复合材料，后结合超塑成形/扩散连接技术制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料的空心夹层结构；

所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法具体包括：

11)选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗；

12)在钛合金薄板的上下两面按照设计的图形涂敷止焊剂；

13)将涂敷止焊剂的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层均为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板；

14)对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在多层板的侧面留出外气道，在另一侧的中间钛合金薄板与两侧Ti箔之间留出内气道，并在留出的气道处均焊接通气管；

15)对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600～750℃，然后对表面施加3～8MPa的气压，保温、保压6～12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层；

16)将炉温升至780～940℃，对多层板外表面施加1.0～3.0MPa的气压，保温、保压30min～2h，使中间的钛合金薄板与两侧的Ti箔完成扩散连接；

17)通过通气管对多层板内气道通入1.0～3.0MPa的氩气，保温、保压1～2h，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构。

2.如权利要求1所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤11)中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。

3.如权利要求1所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤13)中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。

4.如权利要求1-3中任一项所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤16)还包括将多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构。

5.一种Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，通过气压热压复合的工艺对按照确定的顺序叠加的Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行加工，制备Ti-Al₃Ti层状复合材料，后结合超塑成形/扩散连接技术制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料的空心夹层结构；

所述Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法具体包括：

21)选取尺寸相同的Ti箔、Al箔及钛合金薄板，并对其表面进行清洗；

22)取一张按照设计的图形涂敷止焊剂的钛合金薄板，将带有止焊剂面与另外一张相同规格无止焊剂的钛合金薄板相向贴合；

23)对贴合的钛合金薄板进行封边并在侧面留出内气道，在内气道处焊接通气管；

24)将贴合的钛合金薄板置于两层Ti箔之间，然后在两侧分别采用Al箔和Ti箔交替叠加，单侧叠加的总厚度应与中间钛合金薄板厚度相同或略大，且最外层为Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板；

25)对叠加完成后的多层板的四个边角点进行点焊，防止错动，然后对周围进行封焊，在内气道对侧，贴合的两张钛合金薄板与两侧的Ti箔处留出第一外气道，在第三个侧边两张最外层Ti箔或钛合金薄板之间留出第二外气道，并在留出的外气道处均焊接通气管；

26)对封焊好的多层板进行抽真空检漏，如无漏气，将其放入设备中加热至600～750℃，然后对表面施加3～8MPa的气压，保温、保压6～12h，使Ti箔与Al箔充分反应生成Al₃Ti层；

27)将炉温升至780～940℃，对第一外气道通入1.0～3.0MPa气压，保压、保温30min～2h，使中间两张钛合金薄板实现扩散连接，同时使生成的Ti-Al₃Ti层状复合材料与外部设置的模具贴模；

28)对内气道施加1.0～3.0MPa的气压，保温、保压1～2h，两张钛合金板材成形，制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构。

6.如权利要求5所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤21)中采用Kroll溶液对Ti箔、Al箔及钛合金薄板进行表面除油酸洗。

7.如权利要求6所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤24)中最外层的Ti箔或涂有止焊剂的钛合金薄板尺寸略大于内层的Ti箔、Al箔和钛合金薄板。

8.如权利要求5-7中任一项所述的Ti-Al₃Ti层状复合材料空心夹层结构的制备方法，其特征在于，所述步骤27)还包括将多层板置于具有曲面形状的模具中，使生成的Ti-Al₃Ti层与模具贴模形成表面为曲面的结构。

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