基于超声波固结成形辅助复合材料Ti/Al3Ti的快速制备方法与流程

本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体涉及一种Ti/Al₃Ti复合材料的快速制备方法。

背景技术：

近年来，在金属超声波固结(Ultrasonic Consolidation,UC)成形技术基础上发展起来的超声波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing,UAM)技术引起了国内外的普遍关注。UAM技术采用大功率超声能量，以金属箔材为原材料，利用金属层与层振动摩擦产生的热量，使材料局部发生剧烈的塑性变形，从而达到原子间的物理冶金结合，实现同种或异种金属材料间固态连接的一种特殊方法。与现有高能三束(激光、粒子束和等离子束)增材快速成形与制造技术相比，UAM技术具有温度低、小变形、速度快、绿色环保等优点，适合于复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造，是一种新型的增材制造3D打印技术。超声波固结成形技术早期主要用于制备强度低、塑性好且易于冶金结合的同种金属叠层材料体系，如铝箔(Al3003、Al6061等)。随着超声波装备中关键部件换能器技术的发展，超声波固结功率从3～4kW提升至9kW，使其成形能力进一步提高，目前，该技术已成功地应用于同种(Al/Al、Cu/Cu和退火316L等)和异种(Ti/Al、Al/Cu等)金属层状复合材料、纤维增强复合材料、梯度功能复合材料与结构、智能材料与结构的制造。此外，超声波固结成形技术还被应用于电子封装结构、航空零部件、热交换器、金属蜂窝板结构等复杂内腔结构零部件的制造，在航空航天、能源、交通等尖端支柱领域有着重要的应用前景。

金属间化合物层状Ti/Al₃Ti具有低密度、高强度、高吸能等优异性能，在航空航天轻质防护系统中具有重要的用途，目前主要采用金属箔冶金方法制备，存在周期长、成本高等局限性。近期，美国陆军实验室和Solidica Inc.公司合作，将超声波制备技术和热压烧结技术结合在一起，研究发现Ti/Al预制带材在低于熔点(550℃)短时保温即可形成金属Al₃Ti金属间化合物。这是传统制备工艺无法实现的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种反应速度快，制备周期短的基于超声波固结成形辅助复合材料Ti/Al₃Ti的快速制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

将剪好的Al带和Ti带置于超声波清洗器中，用酒精清洗15-20min；

按照“Ti带-Al带”顺序叠放，利用超声波固结快速成型设备制备Ti/Al预制带材；

将所述超声波固结快速成形制备的Ti/Al预制带材从基板剥离，置于真空热压炉中热压烧结制备Ti/Al₃Ti层状复合材料。

本发明还可以包括：

超声波固结快速成形的参数为：基板预热温度150℃～200℃，超声波固结快速成形设备压头压力为1500～2500N，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为10～30mm/s。

热压烧结的参数为：保温温度为630～660℃，保温时间为10min～180min，所加载荷为2～4MPa，真空度～10^-3Pa。

本发明针对制备Ti/Al₃Ti层状复合材料传统的金属箔冶金技术反应速度慢，制备周期长等问题，提出了一种基于超声波固结成形原理辅助复合材料Ti/Al₃Ti快速制备方法，解决了传统制备Ti/Al₃Ti层状复合材料方法反应速度低，制备周期长等问题，为进一步Ti/Al₃Ti复合材料产业化提供了新的技术途径。

本发明目的是基于超声波固结成形辅助快速制备Ti/Al₃Ti复合材料，增加超声波固结成形辅助可有效缩短Ti/Al₃Ti复合材料的制备周期，为Ti/Al₃Ti复合材料的制备产业化提供可能，且Ti/Al制备过程和热压反应分别在在超声波固结装置上和热压炉中进行，便于操作，成本较低，无污染。

本发明主要是超声波固结快速成形制备Ti/Al预制带材，已制备的Ti/Al预制带材作为真空热压法的原材料制备金属间化合物层状复合材料。该方法所用原材料为商业纯钛箔材(TA1)，该合金组成成分及质量百分含量为：钛(Ti)余量，铁(Fe)0.25，碳(C)0.10，氮(N)0.03，氢(H)0.015，氧(O)0.020；所用铝为Al 1100，其各元素含量为：铝(Al)：99.00，硅(Si)+铁(Fe)0.95，铜(Cu)0.05～0.20，锌(Zn)0.10，锰(Mn)0.05。

本发明所具有的实质性特点和显著的进步为：

(1)本发明加入超声波固结快速成形技术辅助，材料预处理工艺简单，预制带制备周期短，可批量生产。

(2)本发明将超声波固结快速成形技术和热压烧结技术相结合，超声波固结成形可使Ti带与Al带在界面预成形，在进一步热压烧结制备Ti/Al₃Ti复合材料时不仅预成形形成的界面冶金结合区可提供扩散通道，而且预成形储存变形能可降低界面原子扩散的驱动力，大大提高界面Ti原子与Al原子扩散速率。

(3)对Ti/Al预制带材进行不同保温时间的动力学试验设计，计算结果表明Ti/Al预制带材热压烧结形成的Al₃Ti随保温时间增加呈指数增厚，动力学指数高达2.38，传统制备工艺很难达到。

(4)本发明选取的铝原材料是厚度为200μm、宽为25.4mm金属箔材(Al 1100和TA1)，都为商用合金箔材，价格低廉，材料制备过程中无毒、环保，且工艺简单易行，成本低。

附图说明

图1是本发明的制备原理及制备工艺流程图；

图2是Ti/Al预制带材金相照片；

图3是Ti/Al预制带材界面的扫描电镜照片；

图4是660℃保温35min的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，该保温时间下Al₃Ti层厚度为45μm；

图5是660℃保温50min的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，该保温时间下Al₃Ti层厚度为105μm；

图6是660℃保温65min的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，该保温时间下Al₃Ti层厚度为215μm；

图7是660℃保温75min的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，该保温时间下Al₃Ti层厚度为275μm；

图8是660℃保温80min的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，该保温时间下Al₃Ti层厚度为312μm。

具体实施方式

本发明的制备方法：

首先是Al1100和TA1金属带材的预处理：

(1)剪取长宽为800mm×24.5mm，厚200μm的Al1100和TA1带材；

(2)将剪好的金属带材置于超声波清洗器中，用酒精清洗15-20min。

其次，按照“Ti带-Al带”顺序叠放，最后利用超声波固结快速成型设备制备Ti/Al预制带材；

最后，将超声波固结快速成形制备的Ti/Al预制带材从基板剥离，置于真空热压炉中烧结制备Ti/Al3Ti层状复合材料，试验原理及流程图见附图1。

主要工艺参数：

超声波固结快速成形参数：基板预热温度150℃～200℃，超声波固结快速成形设备压头压力为1500～2500N，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为10～30mm/s。

热压烧结参数：保温温度为630～660℃，保温时间为10min～180min，所加载荷为2～4MPa，真空度～10^-3Pa。

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

从卷状原材料带材上剪取长宽为800mm×24.5mm，厚200μm的Al1100和TA1带材，置于超声波清洗器中，用酒精清洗15～20min，温度30℃～40℃，去除材料表面的污质，之后将原材干燥待用。干燥后的带材按照“Ti带-Al带”顺序叠待用。

利用超声波固结快速成型设备采用Ti-Al双层固结的方法制备Ti/Al预制材；基板预热温度150℃～200℃，超声波固结快速成形设备压头压力为1500～2500N，超声波振幅为20～40μm，压头运动速度为10～30mm/s。

本实施例所得的Ti/Al预制带材的金相照片(附图2)，扫描电子显微镜照片(附图3)，可以看出，界面处没有观察到明显的微观缺陷，且Ti层上表面与设备的压头直接接触，压头的表面纹路作用在Ti层的上表面使其表面上呈现出部分的凹凸不平；Al层上下表面始终没有接触压头，所以Ti层的下表面和Al层的上表面形成了非常平直的界面；Al层的下表面与Ti层的上表面形成的界面可看出在固结成形过程中，在固结参数作用Al经过塑性变形嵌入了Ti层上表面的凹凸不平部分而形成了良好的结合。将Ti层与Al层的界面进一步放大，Ti层和Al层的界面清晰可见，可以看到Ti层和Al层界面结合非常好，没有任何微小的缺陷存在。

将超声波固结成形制备得Ti/Al预制带材利用电火花线切割从基板上剥离下，之后对Ti/Al预制带材进行不同保温时间的真空热压处理：在10^-3Pa的低真空度下以10.5℃/min的升温速率下升温到630℃保温1h，然后以1℃/min的升温速率升温到660℃分别保温35min、50min、65min、75min和80min，然后随炉冷却。升温过程中保持3MPa的压强，660℃保温阶段施加0MPa压强，降温阶段保持2.5MPa压强。

本实施例所得的Ti/Al₃Ti层状复合材料的金相照片，参见附图4至附图8，可以看出，660℃随保温时间增加反应形成Al₃Ti厚度增加，经动力学计算随保温时间增加Al₃Ti厚度呈指数增厚，动力学指数高达2.38。

通过实施例1和实施例2可以看出，超声波固结快速成形在Ti/Al预制带材中引入大量的塑性变形能，这些能在热压烧结过程中可降低Ti和Al扩散的驱动力，明显加快Al₃Ti形成速度，其动力学指数高达2.38，这是非常罕见的。因此本发明基于超声波固结快速成形辅助快速制备Ti/Al₃Ti复合材料，增加超声波固结快速成形辅助可有效缩短Ti/Al₃Ti复合材料的制备周期，为Ti/Al₃Ti复合材料的低成本制备和产业化提供新的先进技术。