[發明專利]一種改善鈦/鋁固液復合界面塑韌性的鑄造方法

有效

• 申請號: 201410464865.3
• 申請日: 2014-09-12
• 公開（公告）號: CN104259433A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 李宏祥;聶新宇;趙康寧;張濟山;莊林忠
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22D19/02
• 分類號: B22D19/02;B22D30/00;B22D27/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明涉及一種改善鈦/鋁固液復合界面塑韌性的鑄造方法，屬于材料加工工程領域。

背景技術

鈦/鋁雙金屬復合材料能夠兼鈦合金耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊韌性高等優點和鋁合金低比重、高熱導性等優勢，而且能夠減少鈦合金用量，降低使用成本。鈦/鋁雙金屬復合材料具有鈦和鋁單一材料不具備的綜合性能，因而成為航空、航天、石油、化工、國防等領域中競相研制的新材料。

采用鑄造復合法制備鈦/鋁層狀復合材料，工藝相對簡單，界面結合強度大，成材率較高，因而獲得廣泛的關注。W.Yao等采用真空熔鑄復合鈦鋁雙金屬材料，其剪切強度為28-67MPa[YaoW,WuA,ZouG,etal.FormationprocessofthebondingjointinTi/Aldiffusion?bonding.MaterialsScienceandEngineering:A,2008,480(1–2):456-63]。KenevisiMS等采用過渡液相(TLP)擴散焊成功復合鈦鋁雙金屬材料，強度約為18-29MPa[Mousavi?KhoieSM,AlaeiM.Microstructuralevaluationandmechanicalpropertiesofthe?diffusionbondedAl/Tialloysjoint.MechanicsofMaterials.2013；64:69-75]。本發明作者曾公開一種鈦/鋁固液復合鑄造成型方法(公開號：CN103769561A)，剪切強度為46-76MPa。上述的這些雙金屬復合材料，由于其明顯的界面脆性以及較差的彈塑性，導致結合強度并不高，在界面處容易開裂。本發明通過改變鑄造溫度、保溫時間和冷卻方式，金屬間化合物界面形貌會有明顯改變，結合強度仍可小幅優化，而界面塑韌性則明顯增強。通過本發明的復合鑄造工藝方法生產得到的鈦/鋁復合鑄件，其界面為金屬間化合物顆粒彌散均勻分布在鋁基體上，從而通過顆粒增強鋁基復合材料界面實現了純鈦和純鋁、鈦合金和純鋁、純鈦和鋁合金以及鈦合金和鋁合金的冶金結合，界面抗拉、抗剪力學性能優異，且塑韌性高。同時，通過調整該工藝可成功制備不同界面厚度的鈦/鋁復合鑄件，以適應生產過程中對不同力學性能的要求。

發明內容

本發明的內容是克服現有技術的不足，用改進的三步冷卻工藝制備鈦鋁復合鑄件，旨在解決現有工藝制備鈦鋁復合鑄件存在的工藝復雜，重復性差，產品形狀和尺寸受到限制，界面反應層厚且不均勻，裂紋和孔洞等缺陷較多，界面結合強度不高等問題。

本發明的技術方案如下：

(1)將鈦合金(板、型、棒、網)進行機加工得到需求的材料樣式；

(2)對預制的鈦合金表面進行化學清洗，去除表面的油污及氧化物；

(3)熔煉鋁合金直至其完全熔融；

(4)向熔融鋁熔體中浸入鈦合金，浸入時溫度保持在750～860℃，保溫10～240s；

(5)爐冷至710～790℃后繼續保溫5min～4h，之后溫度調節至670～750℃繼續保溫5min～3h，后空冷或油淬至室溫。

所述的鈦合金為純鈦系列、鈦-鋁系列、鈦-釩系列、鈦-鎳系列、鈦-鉬系列或鈦-鈮系列合金；將鈦合金進行機加工，機加工方式為通過打磨得到理想粗糙度的材料樣式；所述的理想粗糙度為用2000號砂紙打磨后所得的粗糙度。

所述化學清洗為依次使用5％NaOH溶液、去離子水、5％鹽酸溶液、去離子水和無水乙醇進行的清洗。

所述的鋁合金為純鋁系列、鋁-銅系列、鋁-錳系列、鋁-鋅系列、鋁-鎂系列或鋁-硅系列合金；所述的熔煉過程中進行攪拌、扒渣。

所述的浸入鈦合金方式為中心垂直插入，攪動方向沿逆時針方向。

步驟(5)中試樣取出時要保持穩定，不應出現較大幅度晃動。

本發明的特征在于通過空冷及油冷降低鈦和鋁界面處發生反應后導致的致密脆性層的厚度，通過對熱處理條件的調控以及插鑄過程中的攪拌降低鈦合金在插入后造成的鋁熔體的局部凝固，使鈦元素快速擴散，形成的金屬間化合物顆粒均勻分布在鋁基體上，通過該顆粒增強鋁合金復合材料界面的制備在保證鈦/鋁冶金結合的同時提高了復合材料的強度和塑韌性。