固态钛材固液复合及轧制组合制备双金属复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于双金属复合材料的制备领域，具体是一种固态钛材固液复合及乳制组合制备双金属复合材料的方法，即一种通过固液复合铸造后乳制组合工艺制备双金属复合材料的方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业技术的发展，对材料综合性能的要求越来越高，在很多工况条件下，单一组元的金属材料已经很难满足要求。因此，研究和制备新型复合材料成了材料科学与工程领域的一个重要发展方向。双金属复合材料是通过各种复合技术使两种性能不同的金属复合在一起而制备的一种新型复合材料。与单一组元的金属材料相比，双金属复合材料可以综合利用两种金属材料各自的物理化学特性，获得单一组元金属不能同时具有的综合性能，可以较好地满足工业与科技的快速发展对于材料越来越高的要求。相比于单一金属材料，其优点具体表现在以下三个方面:(I)优良的综合性能；(2)良好的经济效益；(3)广泛的可设计性。钛及其合金由于具有许多独特的优越性能，包括高的比强度和比刚度，良好的高温性能和耐腐蚀性能，优异的综合力学性能和加工性能，目前已得到世界各国的普遍重视，在国防、航空、航天等领域受到了广泛的开发和应用。我国钛资源丰富，钛合金的应用势必将不断扩展。经调研发现钛合金材料与其他材料，如铝合金、钢材等复合形成的双金属复合材料同样受到了广泛的重视，如钛铝材料，综合了钛合金上述优点以及铝合金导电、导热性好、比强度高、耐蚀性好等一系列的优点，被开发应用在了石油和航天领域。
[0003]使用传统焊接方法制备双金属复合材料时，由于钛合金独特的性质，经常出现各类缺陷。如钛铝双金属材料，经常在焊接接头出现气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析等缺陷。经对现有技术的检索发现，除焊接方法外钛铝间复合常见的方法按照材料状态的不同可以分为固液复合、固固复合及液液复合。对于固固连接方法，如挤压，生产效率较高，不过由于铝和钛在大气环境下都非常容易氧化，尤其是高温条件下，两种金属之间都会形成致密的氧化膜，氧化膜的存在会阻碍冶金结合的形成。而液液连接则经常受到设备的限制，对于材料的外形、尺寸都有非常严格的要求，这也在一定程度上限制了铜铝双金属材料的推广和应用。相比于固固复合及液液复合，固液复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、生产效率较高，正受到越来越多的关注。不过固液复合同样存在一定的不足，经检索发现，Nie等人在《Materials and Design》期刊2014,63): 142-150上发表的An investigat1n on bonding mechanism and mechanical properties of Al/Ticompound materials prepared by insert moulding(镶嵌铸造制备招钦双金属复合材料的结合机理及力学性能研究)提到，在液固复合过程中，浇注温度较高时容易在界面上生成较厚的中间化合物，影响钛铝双金属复合材料的结合强度和物理性能。可见，每一种方法都有其特有的优势，但又有一定的局限性。
[0004]进一步对现有技术检索发现，研究人员开始通过两种复合方法组合在一起制备双金属复合材料以克服单一方法的不足。中国专利CN101364459A公布了一种铜包铝母线排的生产方法及设备。该技术利用挤压和热乳组合的方法制备铜铝双金属复合材料，不过由于是利用两种固固连接方法，而且为了避免氧化膜的影响，在热处理过程中引入了惰性气体保护，对于设备及制备条件要求较高。中国专利CN101465171A公布了一种包覆焊接及乳制连续制作铜包铝母线排的方法。该技术利用包覆焊接及乳制组合的方法制备了铜铝双金属复合材料，不过，同样的利用两种固固连接方法，而且为了避免氧化膜的影响，在热处理过程中引入了惰性气体保护，对于设备及制备条件要求较高。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种固态钛材固液复合铸造及挤压组合制备双金属复合材料的方法，解决现有复合技术连接钛材和其它材料时经常导致结合区域形成气孔、接头组织粗大、接头应力变形、成分偏析的问题，同时解决氧化膜和中间化合物的存在严重影响两种金属之间的相互作用以及双金属复合材料的性能较低等一系列的问题，使两种合金之间形成冶金结合，具有优良的力学性能。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]本发明提供一种固态钛材固液复合及乳制组合制备双金属复合材料的方法，所述方法包括固液复合铸造制备双金属乳制坯料的步骤、乳制所述坯料制备双金属复合材料的步骤。
[0008]优选地，固液复合铸造制备双金属乳制坯料的步骤具体包括:
[0009]处理预置:对待连接固态钛预置材料进行表面处理，处理后预置在模具型腔内；
[0010]铸造结合:将液态待浇注材料浇注入所述模具型腔内，铸造形成双金属乳制坯料。
[0011]优选地，所述预置固态钛材料包括纯钛和/或钛合金，所述浇注材料包括熔点低于或等于固态钛材料的金属或合金;所述金属或合金包括铝、镁、钢等。
[0012]优选地，处理预置的步骤中，所述表面处理具体指镀锌保护层；
[0013]优选地，所述锌保护层的实现方式包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等;所述锌保护层的厚度为0.1?50μπι。锌层太薄在浇注前会气化，表面继而氧化，不能起到保护作用。过厚会造成锌层不能完全溶入到浇注材料中去，导致不能形成冶金结合。或者形成冶金结合界面处有锌聚集，锌的聚集会影响双金属复合材料的性能。
[0014]优选地，铸造结合的步骤中，所述铸造的方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、尚压铸造、真空铸造、挤压铸造、尚心铸造等。
[0015]优选地，铸造结合的步骤中，所述浇注温度为450?1800°C ;浇注温度低于450°C充型困难，同时很难熔化表面锌层，不能形成冶金结合;高于1800°C可能会造成预置钛材的严重熔化，失去作为高性能预置材料的意义;进一步优选地，所述浇注温度为650?1800°C。
[0016]优选地，乳制所述坯料制备双金属复合材料的步骤中，所述乳制的方式为双层乳制或三层乳制;所述乳制为冷乳、温乳或热乳;所述乳制的温度为-100?浇注材料熔点以下100°C ;所述乳制的压下率为10?75%，乳制的速度为0.01?10m/s。乳制温度低于-100°C时，成型性能很差，在乳制过程中会出现裂纹等缺陷。温度高于上限时有可能达到浇注材料甚至钛材的熔点，导致材料熔化，不能形成所需双金属材料。压下率低于10%时，基本没有变形效果，对于中间化合物的破损效果很弱，得到的材料界面上会存在较厚的中间化合物，影响性能。缩径比高于75%时，对于设备/材料的成型性能要求很高，而且很容易出现裂纹等缺陷。缩径高于lOm/s，变形速度较快，很容易出现裂纹等缺陷。而低于0.0lm/s，生产效率较低。进一步优选地，所述乳制的温度为-100?500 0C。
[0017]优选地，乳制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属复合材料进行乳制后退火处理。
[0018]优选地，所述退火处理的温度为100?浇注材料熔点以下100°C，退火处理的时间为5?300min。温度低于100°C或者时间少于5min时，不能起到去除应力效果，并且两种金属之间作用较弱，很难发生反应，导致双金属复合材料的性能较差。温度高于上限或者时间长于300min时，两种金属之间剧烈反应，中间化合物层厚度会很厚，中间化合物硬脆的性质会影响双金属复合材料的性能，或者有可能超过浇注材料甚至钛材的熔点，导致材料熔化，不能形成双金属材料。进一步优选地，所述退火处理的温度为100?400°c。
[0019]优选地，乳制所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包