CN114643462B - 一种钛合金/不锈钢复合板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制备及应用技术领域，为了将钛合金、不锈钢表面进行光洁平整化处理，并保证钛合金与不锈钢紧密连接，以满足复合板材的工业生产使用要求，公开了一种钛合金/不锈钢复合板材及其制备方法。该方法先通过电火花超声复合表面光整技术对钛合金与不锈钢表面进行预处理，除去金属表面杂质，降低粗糙度，并产生少量“金属尖峰”；然后通过放电等离子烧结技术，形成结合强度良好的钛合金与不锈钢连接界面。将钛合金的耐腐蚀性、高强度、高耐磨性与不锈钢的易切削性、经济性有机的结合起来，得到工业生产适用性良好的复合板材。
Description
技术领域
本发明属于复合板材制备及应用技术领域，具体涉及一种钛合金/不锈钢复合板材及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，单一材料的性能已经无法满足工业生产的应用。钛合金具有高的比强度，优良的抗腐蚀性以及一定的抗高温、低温性能，而被广泛应用于航空发动机叶片、压气机盘等高端零部件中，但其昂贵的切削加工价格和较差的切削精度和加工性能也严重限制了在其他一些领域的推广和应用发展。另一方面，不锈钢具有良好的切削加工性能及塑韧性，但是不锈钢也因其硬度低、耐磨性相对较差等缺点，制约了其在高端领域发展。若能将钛合金和不锈钢通过有效的连接技术实现高质量结合，便可实现二者优势互补，提高整体性能。
现阶段国内主要通过焊接、轧制等方法实现钛合金与不锈钢的复合。但是因为物理化学性质的原因，在制备过程中主要存在以下几类问题：
1) 连接前，普通表面处理过后钛合金与不锈钢的表面可能存在一些杂质以及表面不平整现象，影响后续连接接头的性能；
2) 钛合金和不锈钢的导热系数和线膨胀系数差异较大，这就造成连接过程中温度场和应力场的不均匀分布，焊后形成较大残余应力；
3) 在连接界面处可能有TiFe和TiFe2等金属间化合物的生成，这些脆性相进而会影响接头的力学性能；
4) 钛合金的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生化学反应，形成一些杂质，在与不锈钢连接中形成阻碍。
发明内容
为解决上述问题，实现钛合金与不锈钢的连接，并保证连接界面实现良好的冶金结合，到达工业生产的要求，本发明提供了一种钛合金/不锈钢复合板材及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，对钛合金表面进行电火花超声复合光整处理；
步骤2，对不锈钢表面进行电火花超声复合光整处理；
步骤3，对步骤1处理后的钛合金与步骤2处理后的不锈钢进行清洗、烘干；
步骤4，将清洗、烘干后的钛合金与不锈钢装入石墨模具；
步骤5，对步骤4装载完成的模具进行预压；
步骤6，预压后，进行放电等离子烧结，得到复合板材；
步骤7，对烧结后获得的复合板材进行清洗打磨，获得所述钛合金/不锈钢复合板材。
进一步，所述步骤1中对钛合金表面进行电火花超声复合光整处理具体为：把钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接；Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接；选用粒度为W5的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L；电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为14～16min。
进一步，所述步骤2中对不锈钢表面进行电火花超声复合光整处理具体为：把不锈钢固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接；Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接；选用粒度为W7的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L；电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为14～16min。
利用电火花超声复合光整加工技术对钛合金、不锈钢表面进行预处理。在加工过程中，超声的空化一方面会使工件表面软化，有利于加速金属的剥离；另一方面会使工件表面不断出现新的金属尖峰，这样不但增加了电火花放电的分散性，而且给放电加工创造了有利条件，更有效去除了表面的杂质，降低了粗糙度，增加了表面的平整度。
进一步，所述步骤3中对钛合金与不锈钢的清洗是通过超声震动清洗，超声频率为100 khz，清洗时长为4~5 min，以去除表面的研磨稀释液；对清洗完毕后钛合金与不锈钢进行烘干的温度90~100℃，烘干时间为6~9 min，保证后续烧结过程中不锈钢与钛合金的高质量结合，进而保证制备的钛合金/不锈钢复合板材的连接强度。
进一步，所述步骤4中将烘干后的钛合金与不锈钢装入石墨模具是在真空手套箱内进行的，所述石墨模具的内壁粗糙度为Ra 0.07~0.14μm。放入石墨磨具的顺序依次是：一张石墨纸、不锈钢、钛合金、一张石墨纸。
进一步，所述步骤5中预压的加载压力为5 MPa，目的是为了使不锈钢与钛合金紧密接触在一起。
进一步，所述步骤6中放电等离子烧结是利用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结过程是在真空度小于5Pa、脉冲电流放电、试样内部自产热、外水循环冷却的条件下完成的。保持最高电流处理温度为850℃，脉冲电流占空比为4:5，为使得连接界面更为紧密，连接过程中初期加载压力为10 MPa，目的是最大限度地实现连接界面处的微弧放电，进而去除板材表面的致密氧化膜；保温阶段加载恒定压力为40 MPa，目的是增加连接接头的强度。
利用放电等离子烧结设备对预处理过后钛合金、不锈钢进行真空热压连接。由于放电等离子的瞬时作用，脉冲电流优先积聚于电火花超声复合光整后未处理完全的金属尖峰，尖峰处会产生典型的微电弧放电现象，进而在界面放电区域瞬时发生熔化再结晶，形成质量可靠的连接接头。
进一步，所述步骤7中对复合板材进行清洗打磨的过程为：将复合板材置于光滑玻璃平面上，用砂纸从50~1000#依次递增打磨复合材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，即得到银白色的钛合金/不锈钢复合板材。
本发明还提供一种基于上述任一制备方法得到的钛合金/不锈钢复合板材。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明采用电火花超声复合光整加工技术处理钛合金和不锈钢表面，可以有效的除去钛合金和不锈钢上存在的一些杂质和污染物，得到平整、洁净的钛合金与不锈钢表面，使得界面在连接过程中贴合更为紧密且中间没有任何污染物存在。
2、本发明通过放电等离子烧结技术对钛合金片与不锈钢片进行连接，连接界面不像焊接接头会形成液态熔敷金属与热影响区，其仅仅是界面薄薄的一层局部熔化，在压力的作用下连接在一起。而且通过电火花超声复合表面光整处理以后，界面之间润湿性良好，通过电火花快速熔化尖端，加压，凝固。连接接头因为相变较少，所以最后残余应力也更低，连接接头更为牢靠。
3、采用传统焊接作为钛合金与不锈钢的连接方式时，因为表面需要升高到很高的温度，重熔以及再结晶，这时钛合金就可能与不锈钢在界面处反应生成脆性相的TiFe和TiFe2等金属间化合物。但是通过本发明放电等离子烧结技术进行连接时，整个连接过程速度快、升温快、冷却快、温度低，达不到反应生成化合物的条件。连接界面更为干净，不存在脆性相和析出相影响界面的连接性能。
4、本发明方法中利用的放电等离子烧结技术，使钛合金与不锈钢在整个连接过程都处于真空之中，不会与大气气氛相接触。连接界面不会存在氧化等现象，形成的连接界面较为牢靠。
5、本发明方法将电火花超声复合光整处理与放电等离子烧结技术进行了创新性结合，制备得到了一种力学性能良好的钛合金/不锈钢层状复合板材。在本申请以前电火花超声复合光整加工技术一般被用在材料制备完成以后，对表面进行处理，达到一个清洁、降低表面粗糙度的作用；放电等离子烧结技术一般被用于粉末冶金，因为粉末烧结过程中直接可以产生微放电现象，对于金属片的连接，因为片与片之间无法产生放电现象，所以无法紧密结合。本发明开创性的把电火花超声复合光整加工技术运用到材料制备当中。通过电火花超声复合光整加工技术，不仅除去了表面的杂质以及氧化膜，也通过电火花与超声振动的相互作用在金属表面产生了一些高低不一的金属微尖端，在后续放电等离子烧结过程中，这些金属微尖端意外的可以为钛合金片与不锈钢片紧密连接做了很好的准备。同时本发明也第一次通过放电等离子烧结技术来制备层状复合板材，使界面达到冶金级的结合，结合强度良好。
6、本发明的钛合金/不锈钢复合板材制备方法简易可行，是一种钛合金/不锈钢复合板材工业制备的可行途径。
附图说明
图1为本发明钛合金/不锈钢复合板材的扫描显微图。
图2为本发明钛合金/不锈钢复合板材的纳米压痕显微硬度的曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行具体、详细的说明。
实施例1
本实施例是一种钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，钛合金表面电火花超声复合光整处理：把Ф15 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W5的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12 g/L。电极超声振动频率为24 kHz，超声波研磨总时间为14 min。
步骤2，不锈钢表面电火花超声复合光整处理：把Ф15 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W7的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12 g/L。电极超声振动频率为24 kHz，超声波研磨总时间为14 min。
步骤3，钛合金与不锈钢的清洗：将钛合金与不锈钢分别放入超声震动清洗机中，超声频率为100khz，清洗时长为4 min。将清洗完毕后钛合金与不锈钢进行烘干，干燥温度90℃，干燥时间为6 min。
步骤4，钛合金与不锈钢的装载：将钛合金与不锈钢放入内壁粗糙度为Ra0.07μm、型腔尺寸为Ф15 mm×60mm的石墨模具中。放入石墨磨具的顺序是：一张Ф15 mm的石墨纸、不锈钢、钛合金、一张Ф15 mm的石墨纸。
步骤5，加载5 MPa的压力对装载完成的模具进行预压。
步骤6，钛合金与不锈钢的放电等离子烧结：将预压后的模具放入放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，得到复合板材。设置烧结条件为：真空度小于5 Pa，保持最高电流处理温度为850℃，脉冲电流占空比为4:5，为使得连接界面更为紧密，连接过程中初期加载较小压力10 MPa，后续在保温阶段加载恒定压力40 MPa。
步骤7，复合板材进行清洗打磨：将复合板材置于光滑玻璃平面上，砂纸从50-1000#依次递增打磨复合材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，即获得最终钛合金/不锈钢复合板材。
实施例2
本实施例是一种钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，钛合金表面电火花超声复合光整处理：把Ф30 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W5的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12 g/L。电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为15 min。
步骤2，不锈钢表面电火花超声复合光整处理：把Ф30 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W7的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L。电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为15 min。
步骤3，钛合金与不锈钢的清洗：将钛合金与不锈钢分别放入超声震动清洗机中，超声频率为100khz，清洗时长为5 min。将清洗完毕后的钛合金与不锈钢进行烘干，干燥温度95℃，干燥时间为7 min。
步骤4，钛合金与不锈钢的装载：将钛合金与不锈钢放入内壁粗糙度为Ra0.12μm、型腔尺寸为Ф30 mm×60mm的石墨模具中。放入石墨磨具的顺序是：一张Ф30 mm的石墨纸、不锈钢、钛合金、一张Ф30 mm的石墨纸。
步骤5，加载5 MPa的压力对装载完成的模具进行预压。
步骤6，钛合金与不锈钢的放电等离子烧结：将预压后的模具放入放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，得到复合板材。烧结条件为，真空度小于5Pa，保持最高电流处理温度为850 ℃，脉冲电流占空比为4:5，为使得连接界面更为紧密，连接过程中初期加载较小压力10 MPa，后续在保温阶段加载恒定压力40 MPa。
步骤7，复合板材进行清洗打磨：将复合板材置于光滑玻璃平面上，砂纸从50-1000#依次递增打磨复合材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，即获得最终钛合金/不锈钢复合板材。
实施例3
本实施例是一种钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其具体过程包括以下步骤：
步骤1，钛合金表面电火花超声复合光整处理：把Ф20 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W5的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L。电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为16 min。
步骤2，不锈钢表面电火花超声复合光整处理：把Ф20 mm×1 mm的钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接。Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接。选用粒度为W7的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L。电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为16 min。
步骤3，钛合金与不锈钢的清洗：将钛合金与不锈钢分别放入超声震动清洗机中，超声频率为100khz，清洗时长为5 min。将清洗完毕后钛合金与不锈钢进行烘干，干燥温度100℃，干燥时间为9 min。
步骤4，钛合金与不锈钢的装载：将钛合金与不锈钢放入内壁粗糙度为Ra 0.14μm、型腔尺寸为Ф20 mm×60mm的石墨模具中。放入石墨磨具的顺序是：一张Ф20 mm的石墨纸、不锈钢、钛合金、一张Ф20 mm的石墨纸。
步骤5，加载5 MPa的压力对装载完成的模具进行预压。
步骤6，钛合金与不锈钢的放电等离子烧结：将预压后的模具放入放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，得到复合板材。烧结条件为，真空度小于5 Pa，保持最高电流处理温度为850℃，脉冲电流占空比为4:5，为使得连接界面更为紧密，连接过程中初期加载较小压力10 MPa，后续在保温阶段加载恒定压力40 MPa。
步骤7，复合板材进行清洗打磨：将复合板材置于光滑玻璃平面上，砂纸从50-1000#依次递增打磨复合材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，即获得最终钛合金/不锈钢复合板材。
对本发明实施例2所制备的钛合金/不锈钢复合板材的连接界面进行分析。
（1）首先对连接界面的形貌进行SEM显微组织观测。
可以看到在钛合金与不锈钢连接界面处有很明显的界面层（如图1），这说明钛合金与不锈钢在界面处发生了反应。一旦界面处发生了反应，界面处就会形成较为牢固的连接接头。通过SEM扫描图也可以看出，连接界面层的组织比较均匀，致密，没有明显的缺陷和空洞。
（2）通过纳米压痕测试界面处的微纳力学性能。
可以看出，界面处的硬度是高于钛合金与不锈钢的（如图2）。这也证明了通过本发明方法制备的钛合金/不锈钢复合板材的连接接头是十分可靠的。
Claims (9)
1.一种钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，对钛合金表面进行电火花超声复合光整处理；
步骤2，对不锈钢表面进行电火花超声复合光整处理；
步骤3，对步骤1处理后的钛合金与步骤2处理后的不锈钢进行清洗、烘干；
步骤4，将清洗、烘干后的钛合金与不锈钢装入石墨模具；
步骤5，对步骤4装载完成的模具进行预压；
步骤6，预压后，进行放电等离子烧结，得到复合板材；
步骤7，对烧结后获得的复合板材进行清洗打磨，获得所述钛合金/不锈钢复合板材。
2.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤1中对钛合金表面进行电火花超声复合光整处理具体为，把钛合金固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接；Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接；选用粒度为W5的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L；电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为14～16 min。
3.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤2中对不锈钢表面进行电火花超声复合光整处理具体为，把不锈钢固定在导电平台上，火花输出线与导电平台相连接；Ф5的H62黄铜棒，前端挫成45°作为工具头与变幅杆相连，变幅杆与超声发生器相连接；选用粒度为W7的研磨膏和煤油混合作为研磨稀释液，比例为12g/L；电极超声振动频率为24kHz，超声波研磨总时间为14～16 min。
4.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤3中对钛合金与不锈钢的清洗是通过超声震动清洗，超声频率为100 khz，清洗时长为4~5min，对清洗完毕后钛合金与不锈钢进行烘干的温度90~100℃，烘干的时间为6~9 min。
5.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤4中将烘干后的钛合金与不锈钢装入石墨模具是在真空手套箱内进行的，所述石墨模具的内壁粗糙度为Ra 0.07~0.14μm；放入石墨磨具的顺序是：一张石墨纸、不锈钢、钛合金、一张石墨纸。
6.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤5中预压的加载压力为5 MPa。
7.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤6中放电等离子烧结是利用放电等离子烧结炉进行烧结，烧结过程是在真空度小于5Pa、脉冲电流放电、试样内部自产热、外水循环冷却的条件下完成的；保持最高电流处理温度为850℃，脉冲电流占空比为4:5，连接过程中初期加载压力为10 MPa；保温阶段加载恒定压力为40 MPa。
8.根据权利要求1所述的钛合金/不锈钢复合板材的制备方法，其特征在于：所述步骤7中对复合板材进行清洗打磨过程为：将复合板材置于光滑玻璃平面上，用砂纸从50~1000#依次递增打磨复合材料周边并进行抛光，随后用体积百分比为50%的酒精溶液对其进行擦拭，自然风干，即得到银白色的钛合金/不锈钢复合板材。
9.一种基于权利要求1~8任一项所述制备方法得到的钛合金/不锈钢复合板材。
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