[发明专利]一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料及其制备方法，本发明旨为钛/铝双金属复合材料的曲面加工提供一条解决途径，巧妙的利用钛、铝两种材料间的物理性质区别(即线膨胀系数的显著差异)，在钛/铝经过热场复合后的冷却过程中形成弯曲内应力，诱导其自发性的形成向铝侧弯曲的结构特征，避免了对薄板材的二次加工。通过对钛，铝各基体尺寸的调控(长度×宽度×厚度)实现对钛/铝双金属复合材料弯曲程度的控制。本发明对设计和制造具有曲面结构特征的薄板状异质复合材料提供了一种新思路。

技术领域

本发明涉及一种具有曲面特征的双金属薄板，具体涉及一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料及制备方法。

背景技术

钛、铝均是在航天航空领域拥有广泛应用的典型轻质金属，将两种异质材料有效结合形成钛/铝复合材料能够在材料的比强度、结构重量、疲劳性能、经济性都达到了一个良好的平衡，这是单一金属无法媲美的优势。然而，目前的钛/铝复合材料制备技术都无可避免的在Ti/Al异质界面处生成Ti₃Al、TiAl、TiAl₃等一系列硬脆的金属间化合物。这些中间相容易在后续变形加工过程中成为裂纹源，增加了其二次机械加工的难度。对于有复杂形状设计要求的钛/铝复合材料产品(如曲面特征)，选择合适的成形加工技术是保证其服役品质的关键。本发明旨在提供一种具有曲面特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法，利用钛、铝两种金属的物理特性，即线膨胀系数之间的显著差异，在复合材料热成形结束后的冷却过程中自发性的发生弯曲，通过对两种基板尺寸的设计及成形工艺的调控可以获得不同弧度。

发明内容

本发明是针对具有曲面特征的钛/铝层状结构薄板首次提出的一种曲面自成形特征钛/铝双金属复合材料制备方法，巧妙的利用钛，铝两种金属自身的物理特性实现了复合材料的自发性弯曲的特征，并通过对材料尺寸的设计获得的不同弯曲弧度。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料，所述钛/铝双金属复合材料为钛、铝双层结构，整体呈现向铝基体侧弯曲的弧面。所述弧面是在复合材料热成形过程中自动形成，且曲面的弧度大于等于20°。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料，所述钛基体为TC4钛合金，铝基体为2A12铝合金。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料，两种材料具有显著的线膨胀系数差异，其中TC4钛合金线膨胀系数为8.4×10^-6/℃，2A12铝合金线膨胀系数为23.8×10^-6/℃。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一准备不同尺寸的TC4钛合金薄板和2A12铝合金薄板；

步骤二分别用砂纸对钛合金薄板与铝合金薄板的表面打磨并抛光；

步骤三将两种材料上下叠放紧密贴合，在真空气氛下从室温以5-15℃/min加热至热成形温度525-575℃，优选为540℃-560℃，保温2-3h，加载压力5-15MPa，泄压，随炉冷却，得到产品。

作为优选方案，卸压后，以5-15℃/min速率冷却至180-220℃、优选为200℃，从炉内取出空冷。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一的钛、铝合金的薄板尺寸特征为：钛、铝厚度之和＜1mm且钛板厚度＜铝板厚度，宽度＞1cm且长宽比＞8∶1；

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法，步骤二钛，铝金属表面分别打磨至光洁度为0.1-3μm，在分别用丙酮、酒精超声清洗。清洗时间优选为10min。

本发明所述的一种曲面自成形特征的钛/铝双金属复合材料的制备方法，步骤三中的真空度保持在1-5×10^-3Pa。