CN111673275A - 一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合板制备技术领域，尤其涉及一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法。其包括：依次在基材表面放置铜材和钛材，利用模具进行边缘压紧后形成粗坯，对模具内的粗坯抽真空后进行激光熔覆，随后冷却即完成。本发明通过激光加工技术，克服钛铁链接的难点，节省材料的同时拓宽了钛合金涂层的应用；通过在钛与铁间设计适当的过渡层，降低气孔、裂纹等缺陷，增强了基体和覆层之间的结合力，得到性能优异的钛钢复合板，显著降低了钛的应用成本，成功结合了钛与铁二者的优点。

Description

一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法
技术领域
本发明涉及复合板制备技术领域，尤其涉及一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法。
背景技术
钛钢复合板是一种新型的板材材料，其既具有钛金属优良的耐腐蚀性能，又具有基材结构钢的强度和塑性，与钛板相比其经济成本大幅度下降，能够有效降低成本并减少稀缺金属资源的消耗，是耐腐蚀环境设备知道的理想材料。因此，其目前被大量用于各种化学反应容器、热交换器等防腐蚀产品领域中。
现有的钛钢复合板生产方法可分为以下四种：***复合法、扩散复合法、***-轧制法以及轧制复合法。但是，现有的生产方法均存在工艺复杂、能量消耗大、环境污染严重、成材率相对较低等一系列问题。
等离子熔覆和激光熔覆是两种相对较新的金属表面处理技术，等离子熔覆更是一种在激光熔覆、等离子堆焊等表面处理技术的基础上发展起来的一种金属表面处理技术。在熔覆焊接过程中，等离子束或激光束沿焊缝移动，使焊缝处材料升温、熔化，经过动态再结晶，实现材料连接。等离子和激光熔覆具有能量密度高、精度高等优点，熔覆后基材可保持原有的厚度，可以有效避免熔覆过程中产生的各种缺陷，并减少脆性金属间化合物的生成。因此在异种材料的连接中有广泛的应用前景。
但是目前并没有将其用于钛钢复合板的制备领域的成熟方案，这是因为等离子熔覆和激光熔覆用于钛钢复合板制备时存在一定钛铁结合强度差的缺陷，使得基材钢表面的钛层容易脱落。
为解决上述问题，本领域技术人员提出了各式各样的解决方案。如中国专利局于2017年2月22日公开的基于过渡层控制的双侧激光钛钢复合板全焊透焊接方法的发明专利申请，申请公开号为CN106425100A，其通过在钛钢界面制造坡口，并在坡口中填充混合金属粉末，随后进行激光双侧焊接的方式进行激光熔覆，起稿了钛钢复合板的焊接接头的力学性能，即提高了钛钢复合板焊接接头处的结合强度。该结合强度的提升主要取决与混合金属粉末的组成以及配比，即该力学强度主要由熔覆后的混合金属粉末提供，而并非是直接提高钛铁链接效果，该方案对于提高钛铁链接效果并无作用，在焊接接头以外的地方，钛铁结合强度仅为焊接接头处的约80％，钛铁链接效果差。并且整体工艺繁琐。
发明内容
为解决现有的钛钢复合板的传统生产工艺存在工艺流程繁琐复杂、能耗大、成材率低、产品品质差等问题，且现有的新型工艺也存在工艺复杂等问题，本发明提供一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法。
本发明的主要目的在于：
1)使得工艺简单易操作，降低成本且易实施推广；
2)克服钛铁链接的难点，在节省物料的同时拓宽钛合金涂层的应用，提高钛铁结合强度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，
所述方法包括：
依次在基材表面放置铜材和钛材，利用模具进行边缘压紧后形成粗坯，对模具内的粗坯抽真空后进行激光熔覆，随后冷却即完成。
在上述技术方案中，将铜材作为单过渡材料层，将其置于基材和钛材之间，通过模具边缘压紧提高三层金属的紧实度，再配合真空去除三层金属间的空气，确保三层金属紧密贴合、中间无空隙后，采用激光熔覆的方式进行熔覆制备钛钢复合板，能够极大程度地提高制备的良品率，同时显著提高三层金属的结合效果，能够有效克服并解决钛铁链接的难点。另一方面，于真空条件下进行激光熔覆，还能够进一步对钛材进行保护，防止其在熔覆或冷却过程中被氧化。并且相较于其他金属或合金而言，铜材对于本发明技术方案具有独特性，其具有质软、低熔点和易扩散等优势，尤其在适当的激光熔覆参数配合下，能够实现非常优异的熔覆制备效果。
作为优选，
所述基材为碳钢或低合金钢。
通常钛钢复合板均为上述的基材，并且经过试验，常见上述种类基材均能够实现极为优异的熔覆制备效果。
作为优选，
利用模具进行边缘压紧的具体操作为：
将基材放入模具中，铜材和钛材依次覆设在基材上，将中空的上边条覆于模具上，模具与上边条周边通过紧固件锁紧，将钛材裸露。
上述的边缘压紧操作简单易实施，并且可根据需要处理的基材形状、结构不同，可方便地实现不同模具的制备和利用。
作为优选，
所述铜材为片状或板状，厚度为0.1～1.0mm。
上述厚度的片状或板状铜材，即能够有效提高钛铁结合强度。铜材厚度过小时，钛铁结合强度提升不显著，而铜材厚度过大时，不但产生了资源浪费，还提高了层间扩散的难度，反而容易提高钛铁链接的难度。
作为优选，
所述钛材为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti3-Al、Ti-Al、Ti-Al3、TiAlNb、Ti-47Al-2Cr-2Nb中的一种，厚度为0.2～2mm。
上述厚度的片状或板状钛材既能够实现良好的防腐蚀效果，厚度过小会导致防腐蚀效果较差，而厚度过大则会导致产生资源浪费。且上述的钛材均能够实现钛钢复合板的制备，具有良好的防腐蚀效果，并且钛铁链接效果较优。
作为优选，
抽真空至粗品内真空度≤1×10-3Pa。
在上述真空度条件下，三层金属能够实现非常紧密的贴合，基本能够去除三层金属间的空气，并且能够实现对钛层的保护。
作为优选，
所述激光熔覆加热温度至铜材熔点以上。
加热至铜材熔点以上，能够确保激光熔覆过程中钛和铁的良好链接效果。实际制备温度取决于铜材和钛材的厚度、隔离剂选用的种类以及熔覆深度要求等因素。温度过低时，无法实现良好的制备效果。
作为优选，
所述激光熔覆的工艺参数为：
激光功率1000～2000W，扫速0.1～0.8m/min。
实际制备过程以具体控制加热温度为准，但上述工艺参数基本可满足加热需求。
作为优选，
熔覆进行一次或多次。
熔覆可进行多次，以进一步提高熔覆深度，提高熔覆效果。
作为优选，
所述钛材表面还涂覆有防氧化隔离剂。
防氧化隔离剂的采用能够进一步在熔覆过程和冷却中实现防止钛层表面氧化的问题，改善了复合板的表面质量。
作为优选，
所述氧化隔离剂可为Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3、Fe2O3或水玻璃中的一种。
上述隔离剂的选用均能够实现防止钛层表面氧化的问题，并且其中部分隔离剂能够进一步在钛层表面复合形成复合金属层如Al2O3和SiO2等。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过激光加工技术，克服钛铁链接的难点，节省材料的同时拓宽了钛合金涂层的应用；
2)通过在钛与铁间设计适当的过渡层，降低气孔、裂纹等缺陷，增强了基体和覆层之间的结合力，得到性能优异的钛钢复合板，显著降低了钛的应用成本，成功结合了钛与铁二者的优点；
3)采用氧化隔离剂，解决熔覆过程钛板的氧化问题，改善了复合板表面质量；
4)本发明可控参数较多，可以更好的实现对涂层质量的控制，工艺可控性好，制备工艺简单、操作方便、效率高、易于实现。
附图说明
图1为本发明模具的结构俯视图；
图2为本发明上边条的俯视图；
图3为本发明熔覆前的组培示意图；
图中：1模具通孔，2模具，3模具螺纹孔，4模具内腔，5上边条，6上边条螺纹孔，7钛材，8铜材，9基材。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个或者多个。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1
模具内腔4尺寸为101×101mm，深度8.3mm，准备一块规格为100×100×8mm的Q235钢板作为基材9、一片规格为100×100×0.3mm的铜箔(铜材8)、一块规格为110×110×1.0mm的TiAlNb钛板(钛材7)，将钢板置于模具内腔4中，覆上铜箔，将钛板周围钻上与模具螺纹孔3相适配的螺纹孔，覆于模具2上，盖上上边条5并将上边条螺纹孔6与模具螺纹孔3对齐，用螺栓将上边条5与模具2固定紧，即将钢板、铜箔和钛板压紧为粗坯，放于激光熔覆工作台上，在钛板表面涂覆一层厚度为0.3mm的SiO2，防止钛板氧化；通过模具2所设的模具通孔1，用接有真空表的真空泵粗坯内的空气抽出，至真空泵显示真空度≤1×10-3Pa，使得三层金属紧密贴合到一起，中间没有孔隙。
进行一次激光熔覆，钛板距离焊枪8mm，激光熔覆工艺参数为：激光功率1000W，光斑直径3.0mm，扫速0.5m/min，保护气(Ar)：1m3/h；
随后进行二次激光熔覆，二次激光熔覆采用平顶光，激光熔覆工艺参数为：激光功率2000W，扫速0.1m/min，保护气(Ar)：1m3/h。
进行激光熔覆，激光熔覆结束后空冷至室温，即得到钛钢复合板。
实施例2
具体与实施例1相同，所不同的是：
铜箔厚度为0.2mm，钛板为厚度0.6mm的Ti3-Al钛板，防氧化隔离剂为Al2O3；
一次激光熔覆的工艺参数为：激光功率1000W，平顶光激光，扫速0.8m/min，保护气(Ar)：0.3m3/h；
二次激光熔覆的工艺参数为：激光功率2000W，平顶光激光，扫速0.15m/min，保护气(Ar)：1m3/h。
实施例3
具体与实施例1相同，所不同的是：
铜箔厚度为0.1mm，钛板为厚度0.2mm的Ti-47Al-2Cr-2Nb钛板；
仅进行一次激光熔覆，不进行二次激光熔覆。
实施例4
具体与实施例1相同，所不同的是：
铜箔厚度为1.0mm，钛板为厚度2.0mm的Ti-47Al-2Cr-2Nb钛板；
一次激光熔覆的工艺参数为：激光功率1600W，平顶光激光，扫速0.3m/min，保护气(Ar)：1m3/h；
二次激光熔覆的工艺参数为：激光功率2000W，平顶光激光，扫速0.15m/min，保护气(Ar)：1m3/h。
对比例1
具体操作与实施例1相同，所不同的是：
不对粗坯进行抽真空处理。
对比例2
具体操作与实施例1相同，所不同的是：
不利于模具对基材、铜层和钛材进行压紧，仅将三者简单叠放。
对比例3
具体操作同实施例1，所不同的是：
不涂覆防氧化隔离剂。
对比例4
具体操作同实施例1，所不同的是：
将铜材替换为钒/铌金属板(钒和铌的原子比为1：1)。
对比例5
具体操作同实施例1，所不同的是：
调节激光功率和激光扫速，使其加热温度低于铜材熔点(约900℃)。
对比例6
采用CN106425100A实施例所公开技术方案进行制备。
测试
经检测，上述实施例以及对比例所制得钛钢复合板都满足行业内对于钛钢复合板防腐蚀性能标准。进一步对钛钢复合板的钛层结合强度进行测试，结合强度检测依照GBT 8642–2002进行，并以对比例6所制得钛钢复合板所测得结果作为基准值(100％)，其余测试结果与其进行对比并以百分比进行比较，以更清晰地进行对比，对比结果如下表表1所示。
表1：钛铁结合强度测试结果。
测试对象 检测值 测试对象 检测值
对比例6 100％ 对比例1 113％
实施例1 131％ 对比例2 97％
实施例2 129％ 对比例3 121％
实施例3 121％ 对比例4 109％
实施例4 129％ 对比例5 112％
从上表表1可明显看出，本发明技术方案制备的钛钢复合板具有非常优异的钛铁链接效果，并且相较于CN106425100A技术方案而言产生了显著的提升，并且整体工艺简洁高效，更加适用于工业化生产。

Claims (10)

1.一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述方法包括：
依次在基材表面放置铜材和钛材，利用模具进行边缘压紧后形成粗坯，对模具内的粗坯抽真空后进行激光熔覆，随后冷却即完成。
2.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述基材为碳钢或低合金钢。
3.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
利用模具进行边缘压紧的具体操作为：
将基材放入模具中，铜材和钛材依次覆设在基材上，将中空的上边条覆于模具上，模具与上边条周边通过紧固件锁紧，将钛材裸露。
4.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述铜材为片状或板状，厚度为0.1～1.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述钛材为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti3-Al、Ti-Al、Ti-Al3、TiAlNb、Ti-47Al-2Cr-2Nb中的一种，厚度为0.2～2mm。
6.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
抽真空至粗品内真空度≤1×10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述激光熔覆加热温度至铜材熔点以上。
8.根据权利要求1或7所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述激光熔覆的工艺参数为：
激光功率1000～2000W，扫速0.1～0.8m/min。
9.根据权利要求1所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述钛材表面还涂覆有防氧化隔离剂。
10.根据权利要求9所述的一种钛钢复合板真空激光复合制备的方法，其特征在于，
所述氧化隔离剂可为Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3、Fe2O3或水玻璃中的一种。
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