一种包覆夹层的钛/铝复合板及其制备方法与流程

本发明涉及一种包覆夹层的钛/铝复合板及其制备方法，属于金属复合材料和机械制造综合技术领域。

背景技术：

钛及其合金因其较高的比强度和比刚度、良好的耐腐蚀性和耐热性等优点，被认为是最为优质的工程材料之一，在航空航天、军事装备和石油化工等领域有非常广泛的应用。但是钛的价格昂贵，且化学性质活泼，加热时易与氢气、氧气和卤素等非金属作用，因此制造和应用成本很高。铝是地壳中储量最多的一种金属元素，也是轻金属中使用最广泛的材料，价格低廉，且具有较优异的比强度、比弹性模量以及疲劳强度，是主要的轻量化结构材料。以钛为增强体，铝为基体的钛/铝复合板兼有成本和性能的双重优势，质量轻、比强度和比模量高、塑韧性和耐腐蚀性好，在达到工业生产和应用标准的基础上降低了成本，是优良的轻量化和结构功能一体化材料。在航空航天行业，钛/铝/钛复合板可用于制作飞机导弹点火区域的蒙皮，可防止飞机机翼由于燃料燃烧而熔化的现象产生，同时作为轻量化结构，在整体上亦不增加飞机的重量，从而很好地满足飞机的服役标准。在桥梁工程等领域，钛/铝/钛复合材料可以制作成新型便携桥，质轻且耐腐蚀性能优异，方便作战，具有十分广阔的应用前景。

焊接工艺简单，生产效率高，易于获得强固的连接，是理想的金属复合板制备方法。自上世纪中叶开始，国内外学者对采用焊接工艺制造钛/铝复合板进行了大量的试验和研究，从结合机理、接头质量和相态变化等角度提出了多种制备方法，主要有固相焊(摩擦焊、扩散焊)、钎焊和熔-钎焊等。近年来，机械合金化、粉末冶金、气相沉积法等技术也开始应用于钛/铝复合板的制备。

然而，钛和铝在微观结构和理化性能上巨大的差异导致其在焊接时难以获得优质的焊接接头。在微观结构方面，钛和铝的原子排列方式、晶格类型、原子半径以及电负性均有较大不同，本质上难以实现冶金结合。在物理性能方面，钛的熔点约为铝的3倍，但导热率和线胀系数仅为铝的1/16和1/3。当焊接温度达到钛的熔点时容易造成铝元素大量烧损，影响接头元素分布。钛和铝线胀系数的较大差异易使得过渡区产生较大的残余应力和应变，进而形成热裂纹。导热率的不同则会造成结合区结晶严重粗化，产生加工硬化问题。在化学性能方面，钛和铝作为活泼金属在空气中均极易被氧化形成高熔点高硬度的脆硬性氧化膜，这不仅容易造成夹渣，还会提高焊接后钛/铝复合板在承载时发生脆性断裂的倾向。此外，钛和铝在焊接过程中吸气能力都非常强，随着焊后温度的降低气体的溶解度显著下降，来不及析出的气体伴随熔池的凝固形成气孔，极易在接头受力后发展成为裂纹源。除了微观结构和理化性能的因素外，钛和铝焊接时金属间化合物的生成同样影响焊接质量。如图1钛/铝二元相图所示，钛和铝在高温下能够形成多种金属间化合物，主要有tial、tial2和tial3。金属间化合物一般具有较高的熔点、高硬度和高脆性，且晶体结构复杂。这些特殊的合金相弥散在焊缝区和热影响区中，提高了焊接接头的脆硬性。因此，常规的焊接工艺难以实现钛、铝异种金属的焊合。

爆炸焊接是利用炸药爆炸产生的能量使复板向基板高速运动并发生剧烈的碰撞，巨大的冲击压力使得基复板结合界面产生塑性变形，形成固相结合。爆炸焊接法的优点在于几乎可以实现任何同种或者异种金属的连接，工艺流程简单，且所获得复合板材的后续加工性能好。但是，对于钛、铝爆炸复合而言，在爆炸载荷的作用下基复板剧烈的碰撞极易使结合界面产生严重的塑性变形，进而造成局部连续熔化层和金属间化合物的出现，影响焊接接头质量。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种“r(装药质量比)-δf(复板厚度)”型焊接窗口，以确定下限装药参数，进而降低基复板碰撞速度。

本发明的目的之二在于提供一种工艺简单、界面结合良好的钛/铝复合板的爆炸焊接复合方法。

本发明的目的之三在于提供一种包覆夹层的钛/铝复合板。其特征在于：钛/铝复合板是由钛层、夹层和铝层按照自上而下的顺序叠放，并一次爆炸复合而成。

包覆夹层的钛/铝复合板的爆炸焊接复合方法，包括以下步骤：

(1)选择ta1或者ta2作为复合板的制备复板，厚度为1mm～4mm；选择5系铝合金作为复合板的制备基板，3mm～16mm；复板与基板的厚度比值为1∶3～1∶4，复板太薄则其平整度难以控制，导致复合率较低，而基板较薄时，容易在爆炸焊接过程中产生脆裂现象。对基复板进行退火工艺，其中退火温度在650～700℃时，钛合金的晶粒基本等轴化，然而超过这个温度后，晶粒仅尺寸会增大，力学性能会随着温度的升高而降低，所以较适宜钛合金的退火温度是650～700℃；同样，铝合金的力学性能在退火温度为350～500℃时表现较好。退火的保温时间过短会导致金属无法产生再结晶现象，而过长又会导致晶粒尺寸减少，保温时间选择为2h；

(2)清理表面：用机械打磨的方法清理板材的待结合表面至其露出新鲜金属后，用丙酮和酒精擦拭干净；由于钛和铝在常温下化学性能都较为活泼，所以清理后应将板材放置在干燥环境中于8h内使用，以防止表面氧化；

(3)静态焊接参数选用：爆炸焊接工艺主要与以下的炸药配方、装药厚度和板间间隙这三个静态参数有关：

①炸药配方：低爆速乳化炸药更利于爆炸焊接中的排气过程，减少缺陷的产生，因此在乳化炸药中渗入40％～50％的石英砂，力度小且爆速均匀，使爆速控制在2200m/s～2500m/s，有效多方指数γ控制在1.7～1.9；

②装药厚度：为了避免因爆速过大导致基复板剧烈碰撞引起结合界面发生大面积金属熔化，通过计算构建r-δf型焊接窗口，进而确定下限装药参数：

公式(1)～(4)中，ρf代复板密度；ρ0和δ0分别代表炸药的密度和厚度；dk和γ分别代表炸药的爆速和多方指数；rmin和rmax分别代表最小和最大装药质量比；wmin代表单位面积爆炸复合所需要的最小能量；r0和k0代表炸药的特征常量；κ代表导热系数；c代表比热容；tmp代表被焊材料中较低的熔点；vsf代表复板的体积声速；β代表动态弯折角；

③板间间隙：板间间隙s由以下公式(5)确定：

式中，系数ks≈2～3；

(4)夹层材料确定：选用0.1mm～1mm的1系铝合金薄板作为夹层，以减少基复板碰撞过程中的动能损失，进而减少界面熔化和金属间化合物的形成；此外，选用铝系合金夹层能最大限度提高其与5系铝合金基板的相溶性，提高焊接接头质量。通过公式(6)～(9)可计算不同夹层厚度下界面动能损失情况：

公式(6)～(9)中，vp1代表钛/夹层界面碰撞速度；vp2代表夹层/铝合金界面碰撞速度；e代表格尼能；mf、mi和mb代表单位面积复板、夹层和基板的质量；δek1和δek2分别代表钛/夹层界面和夹层/铝合金界面的动能损失。以直接焊接、使用0.3mm和0.5mm三种情况为例计算动能损失，结果如表1所示。

表1不同夹层厚度下界面动能损失

(5)爆炸焊接过程：通过一次爆炸焊接制成包覆铝合金夹层的钛/铝复合板；

(6)复合板焊后均匀退火工艺：将爆炸后的复合板进行均匀化退火处理，其目的在于加速钛和铝元素之间的固态扩散，提高界面的结合强度。均匀化退火的温度过高会导致晶粒尺寸增大，而过低又难以实现固态扩散温度，因此退火温度选择为350℃，时间为3h；

(7)校平处理及检验：将爆炸后的钛/铝/钛三层复合板通过辊式校平机进行3～5次的校平处理；对经过校平处理的板材进行检验，并裁剪掉边角处由边界效应而开裂或者未复合的部分，最终得到轻质钛/铝/钛三层金属复合板。

本发明和现有技术相比有以下优点：

钛/铝复合板具有更优良的耐腐蚀性能，并且比强度高，较常用的钛/钢复合材料而言质量更轻且更耐腐蚀；通过r-δf型焊接窗口确定的下限装药量，不仅节约了生产成本，还有利于提高复合板结合强度；铝合金夹层的使用减少了界面动能损失，减少了界面大面积熔化和金属间化合物，提高了被焊金属的相溶性。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为包覆夹层的钛/铝复合板爆炸焊接示意图，其中，1为起爆器，2为钛复板，3为铝夹层，4为铝基板，5为炸药，6为装药盒，7为间隙支撑，8为地基。

具体实施方式

实施例一

选择经过退火处理的钛ta2和铝5083各一块，其中ta1尺寸为550mm×250mm×2.5mm，退火的温度和时间分别为700℃和2h；铝5083尺寸为550mm×250mm×14mm，退火的温度和时间分别为350℃和2h；铝1060尺寸为550mm×250mm×0.3mm，退火的温度和时间分别为350℃和2h。

①对上述板材的待加工表面进行机械打磨以及用丙酮和酒精擦拭干净后，按照复板、夹层和基板的顺序自上而下安装，并完成装药工作。其中主要的爆炸焊接工艺参数为：采用渗入35％石英砂的低爆速粉状乳化炸药，其有效多方指数γ＝1.8，经检测其密度约为0.8g/cm³，爆速dk＝2200m/s；装药高度为13.5mm，复板和夹层之前间隙为4mm，夹层和基板之间间隙为2mm；

②按照操作规程进行一次爆炸焊接复合；

③对爆炸后的钛/铝复合板进行退火处理，退火温度为350℃，退火时间为3h；

④将退火之后的复合板进行裁边、精整和校平；

至此，完成了包覆0.3mm铝合金1060夹层的ta2/5083复合板的爆炸焊接制备过程。