[發明專利]一種Ti-Al體系梯度防護屏材料的制備方法

有效

• 申請號: 201711367233.5
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108098270B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 羅國強;賀家煜;張建;饒梅;沈強;張聯盟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K20/02;B23K20/14;B23K20/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

本發明公開了Ti?Al體系梯度防護屏材料的制備方法，是在擴散焊接物理接觸階段改善原子接觸面積的方法來提高樣品連接性能，具體采用包括以下步驟：1)梯度防護屏體系選擇與設計，2)待連接Ti/Al體系樣品表面定向打磨處理，3)Ti/Al體系待焊接樣品的定向裝配，4)Ti/Al體系樣品低溫連接。本發明能夠實現鈦合金與鋁合金的低溫高強連接，制得的Ti?Al梯度材料焊接接頭結合好、與傳統焊接接頭相比，操作簡便且控制難度小、制備溫度低且成本低、無金屬間化合物、接頭殘余應力小且性能極好，其抗剪切強度達到128MPa，Ti?Al梯度材料作為梯度防護屏，與傳統防護屏相比，結構設計新穎且合理，面密度小、防護效果好。

技術領域

本發明涉及材料的制備，特別是一種Ti-Al體系梯度防護屏材料的制備方法。

背景技術

空間碎片對于航天器的嚴重威脅已經引起各個國家極大關注。而利用防護結構對航天器進行保護，使其免受空間碎片的破壞，進而提高航天器使用壽命是現階段最普遍的方法。在空間碎片防護結構的設計和超高速撞擊特性研究方面，美國、俄羅斯和歐洲開始得比較早，取得的成果也最多，居于世界領先水平。Fred Whipple于上世紀40年代提出了單緩沖屏防護結構。單緩沖屏防護結構是由位于前端的鋁防護板、位于后部的后壁以及兩者之間的間距構成，前端的防護屏用來碎化來襲的空間碎片，如果碰撞速度很高，甚至可將碎裂的空間碎片熔化、汽化，大幅度降低對后壁的破壞。人們為了進一步提高在Whipple防護構型的防護性能，又在其基礎型上發展了其他多種防護結構，它們具有相似的基本構型。

用于航天器結構的材料必須滿足密度低、比模量和比強度較高、較小的線膨脹系數、較高的比熱和熱導率、抗輻照、抗老化、真空出氣率低等特點。除此之外，由于應用于防護結構上，還應具備對入射粒子的破碎能力強；本身形成碎片對后墻威脅小；令碎片云擴散角度大；使碎片云膨脹速度低二次反濺效應小的特點。在已經普遍使用的防護構型中，常用到的防護材料主要為金屬材料、高分子材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料等幾類：鋁合金是金屬材料中最常見的，應用形式主要有板材、鋁網、蜂窩板等；高分子材料主要有Kevlar、Spectra、Vectran等；金屬基復合材料以鋁基復合材料為主，特別是含SiC顆粒、Al₂O₃纖維等；陶瓷基復合材料應用最廣泛的是在ZrC基體中加入ZrB2等。輕質的鋁、鎂合金及其復合材料成為在航天器外層防護結構的首選材料。

而鈦合金具有密度低、比強度高和耐腐蝕能力強等優點，是航空、航天、醫療等許多行業急需的材料。用鈦合金替代陶瓷，制備鈦鋁復合后墻材料將是一種很好的選擇。

擴散連接(diffusion bonding；diffusion welding)是指在一定的焊接溫度和焊接壓力條件下，使連接表面相互接觸，通過使界面之間形成有效的物理接觸，或通過被連接表面產生的微觀液相而擴大被連接表面的物理接觸，然后母材界面原子經過一定時間的相互擴散，形成整體可靠連接的過程，尤其適合異種金屬的連接。擴散連接技術廣泛應用于原子能，航天航空，電子信息等尖端科技領域的異種金屬精密焊接件的制備中。

而在擴散焊接過程中，待焊樣品表面的粗糙度嚴重影響擴散過程的物理接觸階段，文獻《The Optimal Surface Roughness Condition on Diffusion Bonding》通過計算得出了不同金屬擴散焊接過程中的接觸面最佳粗糙度值計算公式。在物理接觸階段，增大接觸面積可以促進原子間的擴散，從而在低溫下實現異種金屬的高強連接。

當前的研究現狀表明，用梯度復合材料作為whipple防護結構的后墻材料的應用還比較少，利用控制表面粗糙度的方法來提高擴散焊接接頭強度在鈦鋁合金方面也做的比較少。