一种具有夹层的金属基层状复合材料及其制备方法

本发明属于金属复合板制备技术领域，具体涉及一种具有夹层的金属基层状复合材料及其制备方法。

背景技术：

金属复合材料是由两种或多种性能不同的金属材料通过特殊的制备方法复合而成的。与单一金属组元相比，经过合理设计组合后的金属复合板结合了金属组元各自的优点，可以获得单一金属所不具备的力学、物理和化学性能。近几十年来,金属复合板的研制、生产及应用越来越引起人们的关注。这种复合材料已经在航空航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑等领域得到了广泛地应用。

金属复合材料制备方法总体上分为三类:固-固相复合法、液-固相复合法和液-液相复合法。目前层状金属板复合主要生产方法包括爆炸焊接、轧制、爆炸+轧制复合法，都属于固-固相复合这一类。其中，轧制复合法是将两种或者多种表面洁净的金属互相接触，在轧机的强大压力下，通过加热或塑性变形使原子间通过扩散作用实现冶金结合。但，一些异质金属由于组成合金的物理、化学和力学性能差异较大，使得异质金属复合板的结合强度较低，容易产生开裂和未焊合等缺陷，严重影响异质金属复合板的质量和使用性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有夹层的金属基层状复合材料及其制备方法，通过设计组坯工艺并引入中间层，减少界面处的缺陷，增大复板与中间夹层和中间夹层与基板间的贴合力和复合界面的接触面积，增加复合界面的结合强度。

本发明采用以下技术方案：

一种具有夹层的金属基层状复合材料制备方法，包括以下步骤：

s1、对复板、中间夹层和基板加工成槽型的板材结构；

s2、对步骤s1加工的板材结构进行预处理；

s3、将步骤s2预处理后的复板、中间夹层和基板进行重叠放置，并使复板、中间夹层和基板间相互啮合形成复合板坯；

s4、将步骤s3相互啮合的复合板坯四周进行焊接，对复合板坯的内部进行抽真空处理；

s5、对步骤s4抽真空处理的复合板坯进行加热处理，然后经扎机得复合板带；

s6、对步骤s5得到复合板带进行切边，矫直和热处理，得到具有夹层的金属基层状复合材料。

具体的，步骤s1中，中间夹层为单层或多层结构。

具体的，步骤s1中，复板和基板的尺寸为120mm×120mm×(12～20)mm，中间夹层的尺寸为120mm×120mm×(4～7)mm。

具体的，步骤s1中，复板、中间夹层和基板的表面每隔4～8mm开工字槽，工字槽长6～8mm，宽3～4mm，开口2～4mm，距离边界2～4mm。

具体的，步骤s2中，预处理具体为：

先用钢丝刷对复板、中间夹层和基板进行粗磨，后用砂纸打磨复板、中间夹层和基板，去除复板、中间夹层和基板表面的氧化层，用酒精将复板、中间夹层和基板的待结合面擦洗干净。

具体的，步骤s4中，复合板坯内部的真空度为10^-3～10^-5pa。

具体的，步骤s5中，加热处理的温度为300～570℃，时间为1～5h。

本发明的另一技术方案是，一种具有夹层的金属基层状复合材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种具有夹层的金属基层状复合材料制备方法，通过加入中间夹层和利用“工”型设计，增加了板材间的贴合力，经轧制两两挤压密实结合后，金属板材间形成紧密的结合力，避免板材间分离，提高了界面结合强度，改善了轧制质量；基复板间引入良好复合能力的中间夹层，轧制复合易于实现，改善某些基复板间因物理化学性能差异，而出现难复合或复合界面复合强度不高等问题；利用组坯工艺，增大了复板与中间夹层和中间夹层与基板间的贴合力和复合界面的接触面积，从而增加了复合界面的结合强度，避免了轧制过程中出现板材分离的现象,提高了轧制质量且工艺简单，焊接基覆板间引入夹层，而夹层的使用降低了连接过程中单个界面的结合能量—即重新分配了结合能量，降低了单一界面复合的能量，避免了界面过度吸能导致严重塑性变形等不良后果。

进一步的，在基板和复板之间引入良好复合能力的中间夹层，中间夹层轧制复合易于实现，夹层的使用降低了连接过程中单个界面的结合能量—即重新分配了结合能量，降低了单一界面复合的能量，避免了界面过度吸能导致严重塑性变形、界面金属间化合物等不良后果，改善某些基复板间因物理化学性能差异，而出现难复合或复合界面复合强度不高等问题，加入延展性较好的夹层材料，改善基覆板直接难结合或结合质量较差这一问题。

进一步的，板材槽型尺寸设计太厚，轧制结合质量不高；尺寸太薄，易在轧制过程中，发生断裂，降低轧制结合质量。

进一步的，利用所述组坯工艺，增大了复板与中间夹层和中间夹层与基板间的贴合力和复合界面的接触面积，从而增加了复合界面的结合强度，避免了轧制过程中出现板材分离的现象,提高了轧制质量且工艺简单。

进一步的，通过预处理能够去除基覆板以及夹层表面的氧化层及其杂质，增加板材轧制的结合质量。

进一步的，将复合板坯内部抽真空，避免板材表面被空气所干扰，如表面被氧化或腐蚀。

进一步的，扎前进行加热处理，降低变形抗力，改善内部组织和性能，便于后续加工，得预期结果。

综上所述，本发明在基复板间引入具有良好复合能力的中间夹层，采用所述组坯工艺，在解决某些基复板间难复合或复合强度不高等问题外；还增强了复合界面的结合强度，提高了轧制质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种具有夹层的金属基层状复合材料制备方法，先在复板、中间夹层和基板的表面上分别加工出相互啮合的形状；清理复板、中间夹层和基板的界面；将复板、中间夹层和基板重叠放置，并使复板与中间夹层和中间夹层与基板两两相互啮合；组坯得到复合板坯；轧后得复合板。本发明通过加入中间夹层和利用“工”型设计，增加了板材间的贴合力，然后用轧制方法使得复板、中间夹层和基板进一步被挤压到槽内，两两相互挤压，密实结合,在两两金属板界面形成紧密的结合力。这一方法避免了轧制过程中出现板材间分离的现象,提高了界面结合强度，改善了轧制质量。

请参阅图1，本发明一种具有夹层的金属基层状复合材料制备方法，取已加工好的复板、中间夹层和基板的复合板，将复板、中间夹层和基板相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

s1、取出经前期处理过的复板、中间夹层和基板，将其加工成所需的槽型板材；

s2、用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的基复板面以及中间夹层的双面，去除金属板表面氧化层等，待光洁、均匀平整后，再用酒精将待结合面擦洗干净；

s3、将开有槽的基复板面与中间夹层进行重叠放置，并使复板、中间夹层和基板间相互啮合，形成复合板坯；

s4、将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度为10^-3～10^-5pa；

s5、将复合板坯加热处理后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

s6、轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

复板、中间夹层和基板材质分别为5083铝合金/纯铝/ccsb钢，5083铝合金和ccsb钢板选取的尺寸分别为120mm×120mm×20mm，中间夹层纯铝尺寸为120mm×120mm×4mm，铝合金、ccsb钢板单面及中间夹层纯铝双面在其表面每隔5mm开出工字槽，工字槽长6mm，宽3mm，开口3mm，距离边界2mm。取已加工好的复板铝合金、中间夹层纯铝和基板ccsb钢复合板，相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下:

(1)取出经前期处理过的复板铝合金、中间夹层纯铝和基板ccsb钢，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的铝合金、ccsb钢板单面以及中间夹层纯铝的双面，然后去除复板铝合金、中间夹层纯铝和基板ccsb钢复合板的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后,再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的铝合金和ccsb钢板单面与中间夹层纯铝进行重叠放置，并使复板铝合金、中间夹层纯铝和基板ccsb钢间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度为10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在400℃退火1h，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

加入延展性较好纯铝中间层，分散了界面处的能量的分布，减释了加工过程中的残余应力。利用所述组坯工艺，增大了复板5083铝合金与中间夹层纯铝和基板ccsb钢间的贴合力和复合界面的接触面积，从而增加了复合界面的结合强度，避免了轧制过程中出现板材分离的现象。

实施例2

复板、中间夹层和基板材质分别为5083铝合金/纯钛ta2/ccsb钢，5083铝合金和ccsb钢选取的尺寸分别为200mm×200mm×16mm，中间夹层纯钛尺寸为200mm×200mm×6mm，铝合金、钢单面和中间夹层纯钛双面在其表面每隔6mm开出工字槽，工字槽长8mm，宽4mm，开口4mm，距离边界2mm。取已加工好的复板铝合金、中间夹层纯钛和基板钢的复合板，将复板5083铝合金、中间夹层纯钛和基板钢相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板铝合金、中间夹层纯钛和钢基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的铝合金、钢板单面以及中间夹层纯钛的双面，然后去除复板铝合金、中间夹层纯钛和钢基板的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后,再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的铝合金、钢板单面与中间夹层纯钛进行重叠放置，并使复板铝合金、中间夹层纯钛和钢基板间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在350℃退火4h后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

由于铝合金和钢间结合质量不高，直接连接常因工艺等原因，界面出现金属间化合物，在铝合金和钢界面就出现4～12μm厚度的铁铝中间化合物。而在铝合金和钢中间加入一层延展性较好的纯铝(实施例1)和纯钛(实施例2)，减少了能量的输入，降低了金属间化合物生成的可能性，从而改善了铝合金和钢的连接质量。利用本发明组坯工艺，增大了复板5083铝合金与中间夹层纯钛和基板ccsb钢间的贴合力和复合界面的接触面积，提高了了复合界面的结合强度。

实施例3

复板、中间夹层和基板材质分别为钛、纯镍和不锈钢，钛和不锈钢选取的尺寸分别为160mm×160mm×12mm，中间夹层纯镍尺寸为160mm×160mm×5mm，钛、不锈钢单面和中间夹层纯镍双面在其表面每隔4mm开出工字槽，工字槽长7mm，宽3.5mm，开口3.5mm，距离边界2mm。取已加工好的复板钛、中间夹层纯镍和基板不锈钢的复合板，将复板钛、中间夹层纯镍和基板不锈钢相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板钛、中间夹层纯镍和不锈钢基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的钛、不锈钢板单面以及中间夹层纯镍的双面，然后去除复板钛、中间夹层纯镍和不锈钢的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后,再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的复板钛、中间夹层纯镍和不锈钢基板进行重叠放置，并使复板钛、中间夹层纯镍和不锈钢间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在550℃退火2h后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

由于钛和不锈钢线膨胀系数(钛是8.64x10^-6/℃；不锈钢是17x10^-6/℃)、弹性模量(钛是102.7gpa；不锈钢是193gpa)等相差较大，很难直接连接起来。二者间若输入能量多，界面处易出现脆性金属间化合物，降低结合质量。镍的加入，分散了界面处的能量分布；且ni在fe中的固溶度较大且不易形成金属间脆性化合物，和ti结合也良好，两者结合强度很高。利用所述组坯工艺，增大了复板ta2与中间夹层纯镍和基板不锈钢间的贴合力和复合界面的接触面积，从而改善了ta2和不锈钢复合界面的结合强度。

实施例4

复板、中间夹层和基板材质分别为5083铝合金/1060纯铝/ta2，5083铝合金和ta2选取的尺寸为250mm×250mm×18mm，中间夹层1060纯铝尺寸为250mm×250mm×7mm，5083铝合金、ta2单面和中间夹层1060纯铝双面在其表面每隔8mm开出工字槽，工字槽长8mm，宽4mm，开口4mm，距离边界2mm。取已加工好的复板5083铝合金、中间夹层1060纯铝和ta2基板的复合板，将复板5083铝合金、中间夹层1060纯铝和ta2基板相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板5083铝合金、中间夹层1060纯铝和ta2基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的不锈钢、碳钢板单面以及中间夹层纯铜的双面，然后去除5083铝合金、ta2单面和中间夹层1060纯铝双面的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后，再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的复板5083铝合金、中间夹层1060纯铝和ta2基板进行重叠放置，并使复板5083铝合金、中间夹层1060纯铝和ta2基板间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在300℃退火5h加热后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

由于钛(ta2)和镁铝合金(5083)线膨胀系数和导热系数相差太大，如果轧制在界面处输入能量过大，界面的过度变形会产生大量的塑性变形热，使界面出现过度熔化等缺陷，而难有效进行复合连接。延展性较好的1060纯铝的加入，分散了界面处的能量分布，降低了加工过程中的残余应力、缺陷以及金属间化合物等生成的可能性。利用所述组坯工艺，增大了复板5083铝合金与中间夹层1060纯铝和基板ta2间的贴合力和复合界面的接触面积，从而改善了5083铝合金和ta2复合界面的结合强度。

实施例5

复板、中间夹层和基板材质分别为6063铝合金/纯铜/304不锈钢，6063铝合金和304不锈钢选取的尺寸为180mm×180mm×14mm，中间夹层纯铜尺寸为180mm×180mm×6mm，6063铝合金、304不锈钢单面和中间夹层纯铜双面在其表面每隔7mm开出工字槽，工字槽长8mm，宽4mm，开口2mm，距离边界3mm。取已加工好的复板6063铝合金、中间夹层纯铜和304不锈钢基板的复合板，将复板6063铝合金、中间夹层纯铜和304不锈钢基板相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板6063铝合金、中间夹层纯铜和304不锈钢基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的不锈钢、铝合金板单面以及中间夹层纯铜的双面，然后去除6063铝合金、304不锈钢单面和中间夹层纯铜双面的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后，再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的复板6063铝合金、中间夹层纯铜和304不锈钢基板进行重叠放置，并使复板6063铝合金、中间夹层纯铜和304不锈钢基板间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在570℃退火3h加热后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

铝合金和不锈钢因物化性能差异较大，直接结合结合质量不高，加入延展性较好的纯铜，轧制时分散界面能量，减低缺陷的产生；利用本发明组坯工艺，增大了复板6063铝合金与中间夹层纯铜和基板304不锈钢间的贴合力和复合界面的接触面积，提高了了复合界面的结合强度。

实施例6

复板、中间夹层和基板材质分别为az31镁/1060纯铝/304不锈钢，az31镁和304不锈钢选取的尺寸为220mm×220mm×15mm，中间夹层1060纯铝尺寸为220mm×220mm×5mm，az31镁、304不锈钢单面和中间夹层1060纯铝双面在其表面每隔6mm开出工字槽，工字槽长7mm，宽3.5mm，开口3.5mm，距离边界4mm。取已加工好的复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板的复合板，将复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的不锈钢、az31镁单面以及中间夹层1060纯铝的双面，然后去除az31镁、304不锈钢单面和中间夹层1060纯铝双面的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后，再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板进行重叠放置，并使复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10^-3～10^-5pa；

(5)将复合板坯在300℃退火3.5h加热后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

1060纯铝作为延展性较好的材料，轧制时分散界面处能量；界面处便于变形，降低了加工过程中的残余应力、缺陷的产生。利用本发明组坯工艺，增大了复板az31镁、中间夹层1060纯铝和304不锈钢基板的贴合力和复合界面的接触面积，提高了了复合界面的结合强度。

实施例7

复板、中间夹层和基板材质分别为铝合金6061/az31镁/钛合金ti6al4v(tc4)，铝合金6061和钛合金ti6al4v选取的尺寸为200mm×200mm×12mm，中间夹层az3镁尺寸为200mm×200mm×5mm，铝合金6061、钛合金ti6al4v和中间夹层az31镁双面在其表面每隔6mm开出工字槽，工字槽长6mm，宽3mm，开口3mm，距离边界3mm。取已加工好的复板铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板的复合板，将复板铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板相互重叠啮合后采用轧制复合，具体步骤如下：

(1)取出经前期处理过的复板铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板，将其加工成所需槽型的板材；

(2)先用钢丝刷粗磨后用砂纸打磨开有槽的钛合金、铝合金单面以及中间夹层az31镁的双面，然后去除铝合金6061、钛合金ti6al4v单面和中间夹层az31镁双面的表面氧化层等，待光洁、均匀平整后，再用酒精将待结合面擦洗干净；

(3)将清洁后开有槽的复板铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板进行重叠放置，并使复板铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板间相互啮合，形成复合板坯；

(4)将相互啮合的复合板坯四周进行焊后，内部进行抽真空处理，真空度10-3～10-5pa；

(5)将复合板坯在400℃退火3h加热后，通过轧机扎至所需厚度，得复合板带；

(6)轧制后进行切边，矫直和热处理等后续工序。

轧制时分散界面处能量；降低了界面处缺陷出现的可能性。利用本发明组坯工艺，增大了铝合金6061、中间夹层az31镁和钛合金ti6al4v基板的贴合力和复合界面的接触面积，提高了复合界面的结合强度。

综上所述，本发明一种具有夹层的金属基层状复合材料制备方法，在基板和复板间引入具有良好复合能力的中间夹层以及所述组坯工艺，夹层的使用降低了复合过程中单个界面的能量分布，在避免了某些缺陷的产生，解决了某些基复板间难复合或复合强度不高等问题外；还提出了一种组坯工艺，该工艺增大了复板与中间夹层和中间夹层与基板间的贴合力和复合界面的接触面积，从而增强了复合界面的结合强度，避免了轧制过程中出现板材分离的现象,提高了轧制质量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。