[发明专利]一种Ti-Al

说明书

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。

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。