一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法与流程

本发明涉及一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的新方法。

背景技术：

金属间化合物基层状复合材料是在天然生物材料贝壳微结构和强韧化机理研究基础上发展起来的一种新型层状复合材料，由韧性金属和脆性金属间化合物组成。该类复合材料具有高强度、高模量、低密度的优异性能，还具有强大的吸收冲击功的能力，可作为超高吸能装甲防护材料，在航空航天、地面武器装备的装甲防护等诸多领域有着广阔的应用前景。

发达国家多年前就已计划将Ti-Al₃Ti金属间化合物基层状复合材料应用于航空航天、武器装备及地面战车的装甲防护系统。目前，国内外关于该种新型轻质装甲材料制备技术是真空热压烧结、无真空热压烧结、放电等离子烧结等。 20世纪90年代，Alman[1]、Rawers[2]、常云鹏[3-5]等人采用真空热压烧结法研制出Ti-Al₃Ti金属间化合物基层状复合材料。真空热压方法优点是界面结合牢固、无孔洞、可避免加工过程中材料氧化、材料组织结构均匀，但高温下长时间烧结会造成晶粒粗化、晶界污染等，而且真空条件成本较高，微叠层复合材料尺寸受真空室尺寸限制。加州大学Vecchio[6]、Patselov [7]、盖鹏涛[17]等人采用无真空热压烧结技术制备出了致密的金属间化合物基层状复合材料Ti-Al₃Ti。非真空热压制备方法对设备要求大大降低，热压炉不需真空系统, 缩减材料制备成本, 为材料商业化生产提供可能。但也存在一定局限性，如制备过程中会发生氧化反应，产生氧化膜，减缓元素 Ti 和 Al 的反应速率，进而影响材料性能。 Maier[9]、孙彦波[10]等人利用累积叠轧和后续热处理方法成功制备了Ti/Al 层状复合材料。这种方法对轧机功率要求高，轧制变形大，而且轧制后往往还需对材料进行后续热处理，但生产成本较低，可制备出较大长度和宽度的制品，因此，适用于大批量、卷状连续化生产。徐磊[11,12]采用热轧复合法，在950℃热轧制备出Ti-Al₃Ti层状复合材料。热轧复合法所需轧制力较小，对轧机要求不高，工艺比较简单，成本较低，而且制备出的复合材料界面处结合牢固，但是在制备过程中层间距、层厚比不容易控制，还易在界面上产生氧化物，影响复合材料的性能。热轧复合技术适用于小批量、多品种、块状生产。马 李[13,14] 采用电子束气相沉积法( EB-PVD) 制备了厚度为 0.12mm 的大尺寸 Ti/ Ti-Al叠层状复合材料。通过EB- PVD制备出的Ti/Ti-Al叠层化合物界面平直，但后续需热压处理。

由上述分析可知无真空热压烧结技术为Ti-Al₃Ti金属间化合物基层状复合材料商业化生产提供可能，但制备过程中会发生氧化反应，产生氧化膜，减缓元素 Ti 和 Al 的反应速率。

参考文献：

[1] Alman DE, Doĝn CP, Hawk JA, et al. Processing, structure and properties of metal⁃intermetallic layered composites [J]. Materials Science and Engineering A，1995，192：624-632；

[2] Rawers JC, Alman DE. Fracture characteristics of metal/intermetallic laminar composites produced by reaction sintering and hot processing [J]. Composites Science and Technology, 1995, 54 (4) 379-384；

[3]常云鹏， 哈金奋， 党超， 等. 金属间化合物基层状复合材料Ti-Al₃Ti制备及其力学行为 [C] //第 17 届全国复合材料学术会议论文集. 北京:北京中航时代文化传播有限公司，2012；

[4] Peng L M， Li H， Wang J H. Processing and mechanical behavior of laminated titanium⁃titanium tri⁃aluminide（Ti⁃Al 3 Ti）composites [J] . Materials Science and Engineering A, 2005,406 (1):309-318；

[5] Peng L M，Wang J H， Li H. Synthesis and micro-structural characterization of Ti⁃Al 3 Ti metal-intermetallic laminate (MIL) composites [J]. Scrip mater 2005,52:243；

[6] Vecchio KS. Synthetic multifunctional metallic⁃intermetallic laminate composites [J]. JOM, 2005, 57 (3):25-31；

[7] Patselov AM, Rybin VV, Grinberg BA，et al. Synthesis and properties of Ti⁃Al laminated composites with an intermetallic layer [J]. Russian Metallurgy （Metally）,2011 (4)： 356-360；

[8] 盖鹏涛，吴 为，曾元松. 热压复合制备 Ti -Al 3 Ti 层状复合材料组织结构研究. 材料科学与工艺. 2013,21(2):45-49；

[9] Maier V，Höppel HW，Göken M． Nano-mechanical Behaviour of Al- Ti Layered Composites Produced by Accumulative Roll Bonding ；[J]． Journal of Physics: Conference Series，2010,240 (1):102 -108；

[10]孙彦波，赵业青，张迪． 箔-箔法制备微叠层 Ti-Al 系金属间化合物基合金板材[J]．中国有色金属学报, 2010, s1 : 064 – 067；

[11] 徐磊， 崔玉友， 杨锐. Ti-Al 3 Ti层板复合材料热压制备研究[J] . 金属基复合材料， 2008,15 (6) : 677；

[12] Xu L， Cui Y Y， Hao Y L， et al. Growth of intermetallic layerin multi⁃laminated Ti/Al diffusion couples[J] . Materials Science and Engineering A，2006,435:638-647；

[13] 马李，孙跃，赫晓东．Ti/Ti-Al 微叠层复合材料的微观组织与性能研究[J]. 材料工程, 2007 (增刊1): 69-72；

[14] MA L， SUN Y， HE XD． Preparation and performance of large-sized Ti/Ti-Al microlaminated composite [J]. Ｒare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(2):325 -329。

技术实现要素：

本发明为解决目前Ti-Al₃Ti金属间化合物基层状复合材料在商业化生产中存在的制备过程中会发生氧化反应，产生氧化膜，减缓元素 Ti 和 Al 的反应速率等技术问题，提供一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法，包括以下步骤：

（1）砂纸磨光和丙酮超声清洗的表面处理：

裁剪金属Ti箔与金属Al箔，对所裁剪好的金属Ti箔和金属Al箔进行上下表面打磨以除去金属箔表面的氧化膜和其他杂质；所述金属Ti箔与金属Al箔的数目相差一个；

将打磨好的金属Ti箔和金属Al箔分别置于已经清洗的两个烧杯之中，把丙酮溶液倒入烧杯至溶液完全浸没金属箔材，将装有丙酮和金属箔材的烧杯进行超声波清洗；后将清洗完成的金属Ti箔与Al箔取出，进行真空干燥处理，以备后续使用；

（2）交替叠加并轧制：

将已干燥的金属Ti箔与金属Al箔上下交替叠层，形成叠层结构，叠层总数为奇数层且保证上下最外两层为同一种金属箔；在叠层过程中保持每个金属箔片的中心轴线对齐；将叠好的试样进行冷轧处理，轧制变形量为5%，分两道次完成，其中第一道次变形量约为3%，得到预制坯；

（3）封装抽真空：

将冷轧后得到的预制坯置于由厚度为0.05mm的金属箔制成的包套之中，包套与真空泵相连接，通过机械泵抽真空至1Pa左右然后开启分子泵，待真空度稳定在10^-3Pa以下时将金属箔包套密封；

（4）烧结：

将封装完成的叠层试样置于GST-高温热压炉中，叠层试样位于上下压头之间，初始压力为压头的自重，热压工艺为650℃/5~6MPa/3~8h，升温速率为10℃/min，之后随炉冷却，得到金属封装金属间化合物基叠层复合装甲。

步骤（1）中打磨时力度要适宜，避免用力过度将表面氧化膜下的金属颗粒大量蹭出致使箔材表面不平滑，打磨的范围要涉及到金属箔的整个表面，打磨时所用砂纸的粒度由粗到细、均匀过渡。

将装有丙酮和金属箔材的烧杯置于超声波器皿中进行超声波清洗以进一步除去金属箔表面残留的杂质。

步骤（2）中在冷轧后，金属Ti箔和金属Al箔之间紧密接触，排挤了箔材之间的残余空气，一定程度上制约界面氧化物的生成，促进了界面Ti、Al的热化学反应。若轧制变形量过大或轧制次数较多，将会损伤金属Ti箔中的晶粒形态，使其变为长条状嵌入金属Al箔中。

步骤（3）中包套（可采用钛合金箔如TC4箔材）抽真空密封后避免了在热化学反应中氧化物等杂质产物的生成，保证了金属Ti箔与金属Al箔间热化学反应纯粹性。

步骤（4）热压结构原理如图3所示。在650℃下，金属Al箔呈半固态状，金属Ti箔与半固态Al箔间由于元素的扩散而发生热化学反应，由Ti-Al二元相图可知（图4）Ti-Al热化学反应有四种化合物相生成，分别为α₂-Ti₃Al、γ-TiAl、TiAl₂、TiAl₃相，Al₃Ti在Ti/Al界面处形核引起的界面能增加最小，这种界面热力学条件决定了Al₃Ti相优先生长，且在Al箔完全消耗完之前只有Al₃Ti相生成。在热压烧结过程中，温度稍低于Al的熔点，原子之间的束缚减弱，且金属Ti箔与金属Al箔之间紧密接触，Al原子的扩散变得更为容易，发生剧烈的热化学反应Ti+Al→Al₃Ti，该反应为放热反应，在反应过程中金属箔材厚度变小，金属Al箔逐渐被Al₃Ti层取代，形成Ti/Al₃Ti叠层复合材料结构如图5所示，图5 为Ti/Al₃Ti叠层复合材料扫面电镜图。

韧化相钛合金与高硬度、高刚度的Al₃Ti金属间化合物组成Ti/Al₃Ti叠层复合材料， 该种叠层复合材料具有能量耗散结构，可作为抗冲击防护材料。图6为有限元模拟钨合金破片侵彻Ti/Al₃Ti叠层复合材料过程，由图6可知，破片侵彻过程失效模式有倾斜裂纹、界面脱粘、剪切充塞。图7 为初始速度为900m/s的钨合金破片侵彻单相Al₃Ti和Ti/Al₃Ti叠层复合靶材剩余速度随时间变化。从图7可以看出，40μs后Ti/Al₃Ti叠层复合靶材剩余速度比单相Al₃Ti低400m/s。进一步证明Ti/Al₃Ti叠层复合材料具有良好的抗冲击防护性能。

本发明为了避免金属箔之间氧化反应和反应速率得降低，预先对金属箔进行冷轧和抽真空封装，最后进行无真空热压烧结。该制备工艺即是把冷轧、抽真空封装及无真空热压烧结技术三者结合起来形成一种新的制备金属间化合物基层状复合材料的工艺。另外，为了加强韧性金属为脆性金属间化合物的约束作用，对传统的金属间化合物基层状复合材料进行了金属封装。

本发明把冷轧和热压烧结联合起来制备新型金属封装金属间化合物基叠层复合装甲，其工艺路线独特、简单、生产成本低、适于商业化生成。所制备的金属封装金属间化合物基叠层复合装甲具有较高的抗侵彻能力，有望成为一种有效的轻质装甲防护材料。

附图说明

图1 步骤2所述Ti箔-Al箔-Ti箔交替叠层结构示意图。

图2步骤2中所述的冷轧示意图。

图3热压烧结示意图。

图4 Ti-Al二元相图。

图5 Ti/Al₃Ti叠层复合材料扫面电镜图。

图6 Ti/Al₃Ti叠层复合材料弹道侵彻模拟过程。

图7 破片侵彻单相Al₃Ti和Ti/Al₃Ti复合靶材剩余速度随时间变化。

具体实施方式

实施例1：

制备钛合金封装Ti-Al₃Ti 金属间化合物基叠层复合装甲：注意选择金属箔片时候，Ti箔比Al箔长宽各大10mm；

TC4箔长、宽、厚分别为300mm、300mm、0.027mm；

Al箔长、宽、厚分别为290mm、290mm、0.027mm；

（1）砂纸磨光和丙酮超声清洗的表面处理：将0.027mm厚的金属Ti箔裁剪为300×300 mm，0.027mm厚的金属Al箔裁剪为290×290 mm，其中Ti箔裁剪数量为11层，Al箔为10层；然后将所裁剪的金属箔材依次用800目、1500目砂纸均匀打磨至出现金属光泽，并将打磨完成的金属箔材分类放置；用丙酮溶液将玻璃烧杯预先清洗干净，把已打磨的金属Ti箔和金属Al箔分别放入已清洗的玻璃烧杯之中并加入丙酮溶液至完全浸没金属箔材（金属Ti和金属Al箔要分别放入两个不同的玻璃烧杯），把装有丙酮溶液和金属箔材的烧杯放入超声波器皿中超声波清洗20min；最后用干净镊子将清洗完成的金属Ti箔和金属Al箔分别放入两个洁净的玻璃烧杯中，并将烧杯放入真空干燥箱进行真空干燥处理；

（2）交替叠加并轧制：将已干燥的金属Ti箔和金属Al箔依次按照Ti箔、Al箔、Ti箔的顺序叠层，保持上下两层金属箔片的中心轴线对齐，使金属Al箔完全被金属Ti箔覆盖，叠层总数为21层并保证上下最外层为金属Ti箔；将叠层结构进行冷轧处理，轧制量为5%，分两道次完成，第一道次轧制量约为3%；

（3）封装抽真空：将轧制完成的叠层结构预制坯放入金属箔包套中，金属箔包套与真空泵相连接，通过机械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金属箔包套；

（4）烧结：将带有金属箔包套的叠层结构预制坯放入GST-高温热压炉中，初始压力为压头自重，热压工艺为650℃/5MPa/6h，升温速率为10℃/min，随炉冷却处理；

制备出Ti/Al₃Ti金属间化合物基叠层复合装甲。

实施例2：

制备铝合金封装Al -Al₃Ti 金属间化合物基叠层复合装甲：注意选择金属箔片时候，Al箔比Ti箔长宽各大10mm；

TC4箔长、宽、厚分别为290mm、290mm、0.02mm；

Al箔长、宽、厚分别为300mm、300mm、0.08mm；

（1）砂纸磨光和丙酮超声清洗的表面处理：将0.08mm厚的金属Al箔裁剪为300×300 mm，0.02mm厚的金属Ti箔裁剪为290×290 mm，其中Al箔裁剪数量为11层，Ti箔为10层；然后将所裁剪的金属箔材依次用800目、1500目砂纸均匀打磨至出现金属光泽，并将打磨完成的金属箔材分类放置；用丙酮溶液将玻璃烧杯预先清洗干净，把已打磨的金属Al箔和金属Ti箔分别放入已清洗的玻璃烧杯之中并加入丙酮溶液至完全浸没金属箔材（金属Al箔和金属Ti箔分别放入两个不同的玻璃烧杯），把装有丙酮溶液和金属箔材的烧杯放入超声波器皿中超声波清洗20min；最后用干净镊子将清洗完成的金属Ti箔和金属Al箔分别放入两个洁净的玻璃烧杯中，并将烧杯放入真空干燥箱进行真空干燥处理；

（2）交替叠加并轧制：将已干燥的金属Al箔和金属Ti箔依次按照Al箔、Ti箔、Al箔的顺序叠层，保持上下两层金属箔片的中心轴线对齐，使金属Ti箔完全被金属Al箔覆盖，叠层总数为21层并保证上下最外层为金属Al箔；将叠层结构进行冷轧处理，轧制量为5%，分两道次完成，第一道次轧制量约为3%；

（3）封装抽真空：将轧制完成的叠层结构预制坯放入金属箔包套中，金属箔包套与真空泵相连接，通过机械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金属箔包套；

（4）烧结：将带有金属箔包套的叠层结构预制坯放入GST-高温热压炉中，初始压力为压头自重，热压工艺为650℃/6MPa/8h，升温速率为10℃/min，随炉冷却处理；

制备出Al/Al₃Ti金属间化合物基叠层复合装甲。

实施例3：

制备钛合金封装Ti -Al₃Ti- Al 金属间化合物基叠层复合装甲：注意选择金属箔片时候，Ti箔比Al箔长宽各大10mm；

TC4箔长、宽、厚分别为300mm、300mm、0.027mm；

Al箔长、宽、厚分别为295mm、295mm、0.054mm；

（1）砂纸磨光和丙酮超声清洗的表面处理：将0.027mm厚的金属Ti箔裁剪为300×300 mm，0.054mm厚的金属Al箔裁剪为290×290 mm，其中Ti箔裁剪数量为11层，Al箔为10层；然后将所裁剪的金属箔材依次用800目、1500目砂纸均匀打磨至出现金属光泽，并将打磨完成的金属箔材分类放置；用丙酮溶液将玻璃烧杯预清洗干净，把已打磨的金属Ti箔和金属Al箔分别放入已清洗的玻璃烧杯之中并加入丙酮溶液至完全浸没金属箔材（金属Ti和金属Al箔要分别放入两个不同的玻璃烧杯），把装有丙酮溶液和金属箔材的烧杯放入超声波器皿中超声波清洗20min；最后用干净镊子将清洗完成的金属Ti箔和金属Al箔分别放入两个洁净的玻璃烧杯中，并将烧杯放入真空干燥箱进行真空干燥处理；

（2）交替叠加并轧制：将已干燥的金属Ti箔和金属Al箔依次按照Ti箔、Al箔、Ti箔的顺序叠层，保持上下两层金属箔片的中心轴线对齐，使金属Al箔完全被金属Ti箔覆盖，叠层总数为21层并保证上下最外层为金属Ti箔；将叠层结构进行冷轧处理，轧制量为5%，分两道次完成，第一道次轧制量约为3%；

（3）封装抽真空：将轧制完成的叠层结构预制坯放入金属箔包套中，金属箔包套与真空泵相连接，通过机械泵和分子泵抽真空至10^-3Pa以下密封金属箔包套；

（4）烧结：将带有金属箔包套的叠层结构预制坯放入GST-高温热压炉中，初始压力为压头自重，热压工艺为650℃/5MPa/3h，升温速率为10℃/min，随炉冷却处理；

制备出Ti/Al₃Ti/Al金属间化合物基叠层复合装甲（图5为Ti/Al₃Ti/Al扫描电镜图）。