[发明专利]一种轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体涉及一种利用金属箔冶金法制备轻质高性能Ti/Al₃Ti层状复合材料的方法。

背景技术

生物学研究表明贝壳的主要组成成分是CaCO₃，然而这种强度低、脆性高的材料在贝壳上却表现出优异的高强度和高韧性。通过研究贝壳的组织结构发现：贝壳中的CaCO₃呈层状分布，其间隙由有机物紧密填充，正是这种层状结构使其具有良好的机械性能。因此，人们以仿生学为依据，设计制备出了这种具有贝壳结构的层状复合材料，如新型的金属间化合物基层状复合材料Ti/Al₃Ti。与其他金属间化合物（如TiAl，Ti₃Al等）相比，Al₃Ti的密度最小、比强度最高、抗高温氧化性能最好。因此，以Al₃Ti为基体制备的层状复合材料具有高强度（和高强钢相同）、高硬度、高刚度（是钢的2倍）、低密度（不到钢的二分之一）以及较好的断裂性能（是金属间化合物Al₃Ti的5倍）等优异性能。另外，由于该复合材料具有特殊的叠层结构，在高速载荷的作用下，这类材料失效时形成层间开裂和大量的吸能裂纹，导致了高吸能机制，使得金属间化合物基层状复合材料吸收冲击功的能力可以和高性能的装甲钢相媲美。研究表明，金属间化合物基层状复合材料具有的耐高速碰撞的优异性能是基于能量耗散的机理。Ti层与Al₃Ti层相互交替的排列使得在较脆的Al₃Ti层中出现的裂纹在扩展至韧性Ti的时候遇到阻碍，产生“桥联”效应，避免了大规模脆性断裂的发生。在强动载荷作用下，层状复合材料的失效形式是层间开裂和产生横向裂纹（垂直于层片的裂纹），这些裂纹的产生和扩展吸收了大量的冲击能量，从而使金属间化合物基层状复合材料具有优异的高吸能特性和抗冲击能力，可以广泛地应用于航空航天、船舶等领域，其发展领域和前景十分广泛。

这类层状复合材料的制备方法目前主要有轧制法、爆炸焊接法等。

轧制法即将互相交叠的坯料通过一对旋转轧辊的间隙，坯料因受轧辊的压缩使材料截面积减小，长度增加的压力加工方法。由于轧制的过程中会出现一定的塑性流变，在层状复合材料的制备中，通常会采用包套的方法，但是仍然存在一些不足，如层片分布不均匀、界面处有较多氧化物、界面结合力低等问题。

爆炸焊接法则是以炸药爆炸产生的驱动力使两种金属或多种金属之间产生高速碰撞，清除待焊金属表面的氧化膜从而使相同或不同金属连接在一起的方法。该方法具有低成本、灵活性强、操作简单等优点，但其缺点也很突出，即对于强度高和韧性低的金属由于其焊接强度低而使其在室温下爆炸容易脆裂，生产过程中噪声大、烟雾大，生产安全性差，对环境造成严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备出的层状复合材料具有相当高的界面结合强度的轻质金属间化合物基层状复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

以Ti箔和Al箔为原材料，将经过预处理的Ti箔和Al箔交替叠放并保证最外层为Ti箔，进行真空热压处理，所述真空热压处理的条件为：本底真空度为6.67×10^-3Pa，反应温度为640～685℃，升温速率为1～10℃/min，施加压强为0～4MPa，保温时间为1-10小时。

本发明还可以包括：

1、所述真空热压处理是分步进行的，本底真空度下先以10℃/min的升温速率升温至640℃保温1h，然后以3℃/min的升温速率加热到670℃保温1h，最后以1℃/min的升温速率加热到685℃，保温5h；在升温过程中和640℃保温阶段中均施加4MPa的压强，在670℃保温阶段和685℃保温阶段前2h内均加压1MPa，在685℃保温的后3h阶段内加压2MPa，在降温阶段再加压至4MPa。

2、所述将经过预处理的Ti箔和Al箔交替叠放中Al箔的层数为10～15层，Ti箔的层数为Al箔层数加1。

3、所述预处理的方法为：将切割成一定尺寸的Ti箔和Al箔表面进行打磨，直至露出新鲜表面，然后用超声波处理打磨后的Ti箔和Al箔，时间为15-20min，最后用酒精清洗表面，去除残留的氧化物颗粒和杂质，最后进行干燥处理。