CN113352708B - 一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材及其室温轧制成形方法 - Google Patents

一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材及其室温轧制成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种轻质高强Mg‑Ta复合金属板材，并进一步公开其室温轧制制备方法。本发明所述轻质高强Mg‑Ta复合金属板材，通过在镁合金板和钽金属板之间增加轻质金属轧制纯铝中间层，并辅以轧制道次之间的低温退火处理和高温扩散连接处理，使得镁、钽金属异种金属之间形成兼具机械连接和冶金结合的高强度界面，成功制备出具有轻质、高强度镁‑钽复合金属板材，为轻质结构材料与重金属材料之间的室温成形提供新的思路，同时对于深空探测航天器结构技术水平的提升具有积极的意义。

Description

一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材及其室温轧制成形方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材，并进一步公开其室温轧制成形方法。
背景技术
随着我国航天技术的发展，由传统的航天大国向着航天强国迈进，深空探测是实现我国航天转型的重要的支撑之一。深空探测即为从地球发射载人/无人航天器进入太空，对遥远的地外星体进行科学考察和空间利用。为此，基于目前我国现有的运载和深空航天器的技术水平，无法成功的实现将一些多功能的载荷顺利送达预定的轨道，因此，必须对航天器的结构进行一定程度的减重，而选用轻质材料是航天器结构减重的主要途径之一。
另外，对于后续我国的深空探测来说，某些特殊的星体因其周围环绕的非常强的电磁环境，而电磁环境可以俘获更高能量的粒子，高能粒子对于航天器设备是致命的存在，其能够有效地损伤设备的运行从而导致任务的失败。因此，各国对于该星体的深空探测均将高能粒子的防护作为结构设计的关键技术。基于此，目前国外的相关探测均采用密度较大的重金属进行相应的结构制备，通过重金属较强的韧致反射和散射等屏蔽强大的磁场和高能粒子对电子设备的影响。如美国采用钛合金制备该屏蔽结构、欧洲采用纯钽制备该屏蔽结构，整个结构重量不小于180kg，而对于目前我国的运载能力来说，无法满足完全采用密度较大的重金属制备的航天器结构的发射要求。为此，需创新性地开展轻质合金(Mg合金)与重金属(纯Ta)合金复合材料的研究与研制，以期该材料/结构既能满足空间轨道屏蔽高能力子的要求，同时可以满足结构轻量化的要求，助力我国新型航天器的结构研制。
但是，对于轻质Mg合金和纯Ta两种材料来说，由于二者异种金属熔点悬殊(钽的熔点约为2995℃、镁的熔点约650℃)、晶格结构相异(钽为BCC、镁HCP)等本质属性的差别，极易在累积叠轧过程中界面变形不协调、热物理性能不匹配等引起界面不结合、叠轧变形量不够、板材过早开裂等问题。而且，二者的互溶度非常小(＜0.1％wt)，如图1所示的Mg-Ta二元相图显示，在650℃以下镁、钽两种元素之间无论采用何种比例都不会发生元素间的扩散，导致单纯的Mg和Ta无法形成一定深度的冶金结合界面，这些均造成了Mg/Ta复合板材室温轧制成形的技术瓶颈。为此，本专利提出了异种新型的增加纯铝中间层的镁/钽复合板材的室温轧制方法，目前在该方向的研究国内外鲜有相关报道。
目前，国内在Mg/Ta的轧制成型方面，如中国专利CN112742870A公开的异种屏蔽型镁钽多层复合板的制备方法，其在Mg/Ta的轧制成型时，采用包套方式进行镁合金和纯钽的热轧成形，虽可以得到成型的Mg/Ta复合板材，但其使用性能尤其强度性能并不十分理想，且热轧成型的工艺影响了该复合板材的工程化生产效率。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种在室温虾轧制成形的轻质高强Mg-Ta复合金属板材，所述板材通过增加轧制中间层，使得镁、钽金属之间通过特有的中间层轻质金属形成连接，板材具有轻质、高强度、兼具机械和冶金结合的界面等优势；
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述轻质高强、良好的界面结合的Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成形方法。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成形板材，包括顺次复合且相邻板层之间存在扩散界面的镁合金板层、纯铝中间层、纯钽板层、纯铝中间层和镁合金板层。
具体的，所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材中：
所述纯铝中间层的厚度为0.05-0.15mm；
所述镁合金板层的厚度为0.3-1.0mm；
所述纯钽板层的厚度为0.6-1.5mm。
本发明还公开了一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成形方法，包括如下步骤：
(1)取选定的镁合金板、纯钽板进行退火处理；将选定的纯铝板以及退火处理后的所述镁合金板、纯钽板进行预处理，备用；
(2)按照所述复合金属板材的结构，将所述镁合金板、纯铝板和纯钽板进行顺序堆叠，并进行室温冷轧成型，得到复合板材；
(3)将上述轧制后的复合板材在保护气氛下进行真空低温退火处理；
(4)将上述经真空低温退火处理后的复合板材进行高温扩散热处理，即得。
具体的，所述步骤(2)中，所述室温冷轧成型步骤的控制参数包括：控制轧辊的速度范围为50r/min-90r/min，控制轧下量为40％-70％。
具体的，所述步骤(3)中，为了消除道次之间由于镁合金和钽合金之间变形不协调而产生的残余应力、提高下一个道次的金属界面的稳定性，需在两个道次之间进行低温退火处理，所述低温退火为在145℃-200℃温度范围对板材进行热处理，保温时间为0.5h-4h。
具体的，所述步骤(4)中，为了提高金属界面的稳定性和促进界面的冶金结合，所述高温扩散热处理步骤为在400℃-470℃温度下对板材进行保温处理，保温时间为0.5h-1.5h，保压压强为0.05MPa-0.1MPa。
具体的，所述步骤(1)中，为了消除原始镁合金和纯钽材料的残余应力，需在开展复合板材的轧制前进行退火处理。优选的，控制所述镁合金板材的退火温度为225℃-300℃，保温时间为1.5h-3.5h，保温时间完成后，迅速拿出并空冷至室温；控制纯钽板的退火温度为1040℃-1480℃，保温时间为2.5h-5.5h，保温时间完成后，迅速拿出并空冷至室温。
所述步骤(1)中，所述预处理步骤包括将所述纯钽板及退火处理后的所述镁合金板进行打磨及清理的步骤，以及，将所述纯铝板进行清理的步骤。
具体的，为了增加镁合金和中间层纯铝、纯钽材料和中间纯铝之间的接触面积，需采用角磨机对材料表面进行打磨处理。采用传统的角磨机进行打磨，镁合金表面打磨时间为0.5min，纯钽材料表面打磨时间为1min，打磨后目视表面无深度＞0.1mm深的划痕。纯铝不进行打磨处理。
具体的，对打磨之后的镁合金和纯钽材料进行表面清洗处理，所述清理步骤为用无水乙醇擦拭打磨过的材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污。采用棉球蘸无水乙醇均匀擦拭材料表面约2min，擦拭完成后，带表面水渍干燥后迅速将镁合金、纯铝和纯钽材料进行复合。
优选的，本发明所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法，在第一道次轧制成功后进行第二道次的轧制，即在所述步骤(4)之后重复上述步骤(2)-(4)的轧制、真空低温退火处理和高温扩散热处理步骤，进而完成第二道次轧制的步骤，本步骤控制所述第二道次的轧下量为20％-35％。
优选的，本发明所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法，在第二道次轧制成功后进行第三道次的轧制，即在所述步骤(4)之后重复上述步骤(2)-(4)的轧制、真空低温退火处理和高温扩散热处理步骤，进而完成第三道次轧制的步骤，本步骤控制所述第三道次的轧下量为15％-25％。
本发明还公开了所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材或所述方法成型得到的轻质高强Mg-Ta复合金属板材在航空航天领域的应用。
本发明所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材，借鉴常规异种金属轧制思路，通过增加轧制纯铝中间层，促进镁与铝之间、钽与铝之间的界面扩散，使得镁、钽金属之间通过中间层形成连接。由于金属铝等轻质金属同样具备较低的密度，同时其延展性能良好，适合与其他金属的结合。本发明方案的研究显示，如图2所示的镁-铝二元相图，从0℃开始，镁、铝之间即可实现元素扩散，在450℃左右，任何成分比例的两种金属组元间都会完全形成固溶体，因此该两种材料间结合性能优异。而如图3中所示的铝-钽二元相图，显示，铝、钽之间，随着铝的含量降低，其更容易向钽中扩散，当铝含量极低时最低可在300℃左右时完全溶入钽组元，而当铝含量增加时，二元相图中会出现铝、钽之间的化合物，并且会在较低温度下生成铝、钽之间的固溶体结构。
本发明所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温成型方法，在冷轧成型工艺基础上，为了促进镁合金和纯钽之间的界面冶金结合以及轧制的顺利进行，在两个道次之间分别采用低温退火和高温扩散工艺，能够进一步降低道次之间轧制板材之间的残余应力，高界面原子扩散速度，有效促进了界面的原子扩散和融合，进而快速地形成有效的冶金结合，形成机械和冶金共存的高强度界面，从而进一步促进下一个道次的轧制成形。综上，本发明采用铝层金属作为镁、钽金属轧制结合媒介，兼具道次之间的低温和高温热处理使得异种金属镁合金和其他金属之间实现室温下的轧制成型，相比于传统热轧成型工艺下的产品，其生产效率更高，且在保证轻质性能的基础上，强度性能更优。
本发明所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材，通过在镁合金板和钽金属板之间增加轻质金属轧制纯铝中间层，并在轧制道次之间增加低温和高温热处理，使得镁、钽金属之间通过选定的轻质金属形成良好的机械和冶金界面，成功制备出具有轻质、高强度优势的镁-钽复合板材，填补了国内外镁-钽复合金属板材室温轧制成型的空白，同时为深空探测航天器特殊屏蔽结构的研制提供支撑。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为Mg-Ta二元相图；
图2为Mg-Al二元相图；
图3为Al-Ta二元相图；
图4为本发明镁-铝-钽复合板材室温轧制工艺流程图；
图5为45％(第一道次)压下量轧制板材界面扫描电子显微图；其中，(a)为镁合金未退火处理(对比例1)，左侧为镁、右侧为铝；(b)为镁合金退火处理(实施例1)，上、中、下依次为镁-铝-钽；
图6为45％(第一道次)压下量复合板材镁-铝界面扩散宽度图；其中，(a)为扩散热处理后复合板材镁-铝界面扩散宽度图(实施例1)；(b)为未扩散热处理复合板材镁-铝界面扩散宽度图(对比例2)；
图7为实施例1制得复合板材各道次轧制工程应力-应变曲线；
图8为第一道次轧制后的镁/钽复合金属板材的形态图；
图9为第二道次轧制后镁/钽复合金属板材的形态图；
图10为第三道次轧制后镁/钽复合金属板材的形态图。
具体实施方式
本发明下述实施例中，所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的制备材料包含AZ31B镁合金板、1060金属铝板以及实验用高纯度钽板，其中，所述钽板的成分范围如下：C-0.01％、H-0.015％、O-0.015％、Nb-0.05％、Fe-0.005％、W-0.01％、Mo-0.01％、Si-0.005％，其余为Ta。
实施例1
本实施例所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法(一道次轧制)，包括如下步骤：
(1)准备AZ31B镁合金，1060铝合金以及纯钽板，镁合金板材的厚度为1±0.2mm，1060铝合金的厚度为0.1±0.03mm，纯钽板的厚度为1±0.2mm，其中AZ31B材料和纯铝中间层的化学成分应符合国家标准GB/T5153-2016、GB/T3190-2020中的规定，纯钽的化学成分如表1所示，且各材料的尺寸如下表2所示；
表1纯钽成分表
元素 C H O Nb Fe W Mo Si Ta
(wt％) 0.010 0.015 0.015 0.050 0.005 0.010 0.010 0.005 Bal.
表2镁/铝/钽板材尺寸图
材料 长(mm) 宽(mm) 厚(mm)
AZ31B 150(±1) 150(±1) 1(±0.1)
Ta 150(±1) 150(±1) 1(±0.1)
Al 150(±1) 150(±1) 0.5(±0.02)
将上述镁合金板进行退火预处理，即在真空管式高温炉中，于270℃下恒温保温2.5小时，之后空冷处理，备用；
将上述AZ31镁合金(退火后)、纯钽板(退火后)表面用角磨机进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，镁合金表面打磨约0.5min，纯钽板材表面打磨约1min；随后，用无水乙醇擦拭打磨过的材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污；纯铝中间层不进行打磨；
(2)如图4所示的处理流程，将上述处理后的板材样品，按照从下到上为AZ31镁合金板-纯铝板-纯钽板-纯铝板-AZ31镁合金板的顺序进行堆叠，轧辊的速度为50r/min-90r/min，轧制压下量为45％，在室温下，将堆叠好样品通过轧机，制作合金复合板材；
(3)由于轧制后的板材经过了严重的变形，内部存在较大的应力，为了去除残余应力，将轧制后的板材置于真空热处理炉中，在氩气氛围下于200℃进行保温退火处理3h；
(4)为优化轧制复合板材界面，获得界面冶金结合良好的材料，本实施例对退火后的轧制板材进行扩散热处理，即在0.07MPa均布压强下，于450℃进行保温热处理1h，即得。
对比例1
本对比例所述轻质Mg-Ta复合金属板材的制备方法同实施例1，其区别仅在于，所述步骤(3)中，所述镁合金板未进行低温退火处理。
对比例2
本对比例所述轻质高强防辐射Mg-Ta/Al复合金属板材的制备方法同实施例1，其区别仅在于，所述步骤(4)中，未进行扩散热处理。
如图5所示为45％(第一道次)压下量实施例1和对比例1中轧制板材界面扫描电子显微图，在扫描电子显微镜观测下，镁/铝界面结合紧密，机械连接良好；铝/钽界面同样紧密，机械连接良好。因此，第1道次在45％压下量下，三种材料界面均可实现良好的机械连接。
如图6所示为实施例1和对比例2中复合金属板材样品的镁-铝界面进行线扫描图，在镁-铝界面处，线扫描曲线肉眼可见的区域平滑，表示在界面处，镁-铝复合板发生了部分元素扩散；观察两种试样镁-铝界面，发现并无明显的中间扩散层形成。经高温扩散热处理后，线扫描结果显示扩原子散宽度增加，表明镁-铝界面处结合增强。由能谱分析可得，线扫描镁-铝界面处扩散宽度，发现经过高温扩散处理与未处理样品镁-铝界面扩散宽度分别为5.2μm及3.2μm。可见，经高温扩散处理后，镁-铝界面处扩散宽度增加明显，表明扩散热处理使得轧制后板材界面冶金结合明显增加。
在实施例1中经过第一道次成功轧制成型的复合板材的基础上，继续按照实施例1中方案进行第二道次轧制，即重复进行步骤(2)和(4)，其各项参数同实施例1方案，其区别仅在于，控制轧制压下量为25％，得到第二道次轧制后镁/钽复合金属板材。
在上述第二道次轧制后镁/钽复合金属板材的基础上，继续按照实施例1中方案进行第三道次轧制，即再次重复进行步骤(2)和(4)，其各项参数同实施例1方案，其区别仅在于，控制轧制压下量为20％，得到第三道次轧制后镁/钽复合金属板材。
上述镁/钽复合金属板材在经过第一道次、第二道次和第三道次的轧制后的形态图如图8-10所示，可见，各板材形态及质量均良好，表明本发明所述室温轧制方法可操作性及成型产品的效果和性能均较好。
如图7为上述镁/钽复合金属板材在进行第一道次、第二道次和第三道次的真实应力-应变曲线，可见，随着轧制道次的增加，复合板材的抗拉强度逐渐增加，在1、2、3道次轧制下，复合板材的抗拉强度分别为37Mpa、55Mpa、105Mpa。
实施例2
本实施例所述轻质高强Mg-Ta/Al复合金属板材的室温轧制方法，包括如下步骤：
(1)准备AZ31B镁合金，1060铝合金以及纯钽板，各板材的性能同实施例1；将上述镁合金板进行退火预处理，即在真空管式高温炉中，于230℃下恒温保温2小时，之后空冷处理，备用；
将上述AZ31镁合金(退火后)、纯铝板、纯钽板表面用角磨机进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，镁合金表面打磨约0.5min，纯钽板材表面打磨约1min；随后，用无水乙醇擦拭打磨过的材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污；纯铝中间层不进行打磨；
(2)如图4所示的处理流程，将上述处理后的板材样品，按照从下到上为AZ31镁合金板-纯铝板-纯钽板-纯铝板-AZ31镁合金板的顺序进行堆叠，轧辊的速度为50r/min-90r/min，轧制压下量为55％，在室温下，将堆叠好样品通过轧机，制作合金复合板材；
(3)由于轧制后的板材经过了严重的变形，内部存在较大的应力，为了去除应力，将轧制后的板材置于真空热处理炉中，在氩气氛围下于150℃进行保温退火处理4h；
(4)为优化轧制复合板材界面，获得冶金结合良好的界面，本实施例对退火后的轧制板材进行扩散热处理，即在0.05MPa均布压强下，于420℃进行保温热处理1.3h，即得。
实施例3
本实施例所述轻质高强Mg-Ta/Al复合金属板材室温轧制方法，包括如下步骤：
(1)准备AZ31B镁合金，1060铝合金以及纯钽板，各板材的性能同实施例1；将上述镁合金板进行退火预处理，即在真空管式高温炉中，于250℃下恒温保温1.8小时，之后空冷处理，备用；
将上述AZ31镁合金(退火后)、纯铝板、纯钽板表面用角磨机进行打磨处理以去除材料表面的氧化膜，镁合金表面打磨约0.5min，纯钽板材表面打磨约1min；；随后，用无水乙醇擦拭打磨过的材料表面，去除由于打磨加工等留下的油污；纯铝中间层不进行打磨；
(2)如图4所示的处理流程，将上述处理后的板材样品，按照从下到上为AZ31镁合金板-纯铝板-纯钽板-纯铝板-AZ31镁合金板的顺序进行堆叠，轧辊的速度为50r/min-90r/min，轧制压下量为65％，在室温下，将堆叠好样品通过轧机，制作合金复合板材；
(3)由于轧制后的板材经过了严重的变形，内部存在较大的应力，为了去除应力，将轧制后的板材置于真空热处理炉中，在氩气氛围下于180℃进行保温退火处理3h；
(4)为优化轧制复合板材界面，获得冶金结合良好的界面，本实施例对退火后的轧制板材进行扩散热处理，即在0.03MPa均布压强下，，于470℃进行保温热处理1.5h，即得。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法，其特征在于，所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材包括顺次复合且相邻板层之间存在扩散界面的镁合金板层、纯铝中间层、纯钽板层、纯铝中间层和镁合金板层；
所述纯铝中间层的厚度为0.05-0.15mm；
所述镁合金板层的厚度为0.3-1.0mm；
所述纯钽板层的厚度为0.6-1.5mm；
包括如下步骤：
（1）取选定的镁合金板、纯钽板进行退火处理；将选定的纯铝板以及退火处理后的所述镁合金板、纯钽板进行预处理，备用；
（2）按照所述复合金属板材的结构，将所述镁合金板、纯铝板和纯钽板进行顺序堆叠，并进行室温冷轧成型，得到复合板材；
（3）将上述轧制后的复合板材在保护气氛下进行真空低温退火处理；所述真空低温退火处理步骤包括于145-200℃进行保温0.5h-4h的步骤，以及空冷至室温的步骤；
（4）将上述经真空低温退火处理后的复合板材进行高温扩散热处理；所述高温扩散热处理步骤包括于400-470℃、保压压强为0.05MPa-0.1MPa条件下进行保温0.5h-1.5h的步骤，以及空冷至室温的步骤；
还包括在所述步骤（4）之后重复所述步骤（2）-（4）进行第二道次轧制的步骤，控制所述第二道次的轧下量为20%-35%；
还包括在所述第二道次轧制步骤之后重复所述步骤（2）-（4）进行第三道次轧制的步骤，控制所述第三道次的轧下量为15%-25%。
2.根据权利要求1所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述室温冷轧成型步骤的控制参数包括：控制轧辊的速度范围为50r/min-90r/min，控制轧下量为40%-70%。
3.根据权利要求1所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材的室温轧制成型方法，其特征在于，所述步骤（1）中：
控制所述镁合金板材的退火温度为225℃-300℃，保温时间为1.5h-3.5h，并空冷至室温；
控制所述纯钽板的退火温度为1040℃-1480℃，保温时间为2.5h-5.5h，并空冷至室温。
4.由权利要求1-3任一项所述方法成型得到的轻质高强Mg-Ta复合金属板材。
5.权利要求4所述轻质高强Mg-Ta复合金属板材在航空航天领域的应用。
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