一种轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料及其制备方法

本发明涉及合金，尤其涉及一种轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、复合材料是由不同性质的材料组成的一种结构材料，这种组合使它既可以保留单个组成材料的优点，又可以在一定程度上克服单个组成材料的缺憾。同时复合材料还具有质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损、耐烧蚀、制备的灵活性和易加工等典型特点，在航空、航天、石油、汽车、船舶、军工等各个工业领域受了到广泛的应用。文献报道的有关复合材料的近现代研究始于二十世纪六十年代，美国率先提出了“表面处理-冷轧复合-退火强化”的生产工艺流程，从此掀开了复合材料的研究热潮，中国、日本、法国、德国、巴西、印度等众多国家都展开了对复合材料的研究。而其中层状双金属复合材料因其具有优异的综合力学性能和较为便捷的制备方法，也越来越受到学术界和产业界的广泛关注和高度重视。

2、目前，主流便携式垃圾焚烧炉材料之一为18ni300马氏体钢，但使用寿命仍有待提高，而焚烧炉服役寿命最为关键的决定性因素是耐烧蚀性能，而硬质合金其具有优异的耐烧蚀性能，可以显著提升服役寿命；然而，小体积的硬质合金垃圾焚烧炉由于体积小，搬运仍较为方便，而中大型体积的焚烧炉由于硬质合金的密度高达13.4～4.9g/cm3，不易搬运与携带，这也对垃圾焚烧炉的轻量化提出了更高的要求。

3、因此有必要设计一种轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料，以克服上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料及其制备方法。

2、本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料，包括1mm的耐烧蚀层yg硬质合金、中间过渡层镍箔和4mm的减质层ta15钛合金，通过真空扩散焊接工艺实现ta15钛合金和yg硬质合金之间的冶金结合。

4、ta15钛合金具有三个主要的优点：一是其密度小而强度高；二是具有较好的高温性能，相较于镁合金和铝合金这两种主流的轻质合金，其在600℃高温下工作表现仍很突出；三是其具有较强的耐腐蚀性，可以在酸性介质中工作，抗腐蚀性能优于不锈钢，其作为焚烧炉外层材料，使炉子能更好地适应偏酸性环境；yg硬质合金具有较高的抗弯强度和韧性，耐烧蚀性和耐磨性优异的特点，但其密度较大，yg6、yg8、yg15和yg20硬质合金的密度分别为14.5-14.9g/cm3、14.5-14.9g/cm3、13.9-14.2g/cm3以及13.4-13.7g/cm3，这会导致焚烧炉成品质量较大，难以搬运和运输。

5、本发明所用硬质合金为yg系列硬质合金，主要由wc和少量的co构成，其熔点分别为2870℃和1495℃，而垃圾焚烧的温度在850～1100℃，通过yg系列硬质合金和ta15钛合金的复合，搭配各层特定的厚度，1mm厚硬质合金耐烧蚀层足以长期有效地提供优异的耐烧蚀性能，而4mm厚钛合金减质层在保证炉子具有良好的强度、韧性、塑性以及耐蚀性的同时，使整个炉子具有较低的密度，真空扩散焊后仍能满足焚烧炉材料轻量化的需求，此外，4mm厚的钛合金减质层也足以保证炉子即使长期在偏酸性环境下工作，仍能较好的使用。

6、进一步地，所述yg硬质合金为yg6、yg8、yg15或yg20中的一种。

7、yg硬质合金具体的化学成分以重量百分比表示为6％、8％、15％和20％的粘结相co，剩余为碳化物的钨钴类硬质合金，主要成分是硬质相wc。硬质合金中高硬难熔金属wc颗粒提供优异的耐烧蚀性能，而粘结相co对wc具有良好的润湿性，能将难熔的wc硬质金属化合物紧密粘结在一起，此外co的熔点高达1495℃，也提供了优异的耐烧蚀性能。

8、进一步地，所述ta15钛合金的化学成分为ti-6.5al-2zr-1mo-1v，包括如下重量百分比的各成分：al 5.5％～7.1％，zr 1.5％～2.5％，mo 0.5％～2.0％，v 0.8％～2.5％，fe≤0.25％，si≤0.15％，c≤0.10％，n≤0.05％，h≤0.015％，o≤0.15％，余量为ti和杂质。

9、进一步地，所述ta15钛合金成分包括如下重量百分比的各成分：al 6.0％～7.1％，zr 2.0％～2.5％，mo 1.0％～2.0％，v 1.0％～2.5％，fe≤0.20％，si≤0.10％，c≤0.10％，n≤0.05％，h≤0.015％，o≤0.15％，余量为ti和杂质。

10、ta15钛合金通过α稳定元素al的固溶强化，加入中性元素zr和β稳定元素mo和v，可以改善工艺性。该合金属于高al当量的近α型钛合金，所以它既具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，又具有接近于α-β型钛合金的工艺塑性。ta15合金具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，工艺塑性稍低于tc4。此外，ta15的密度仅为4.450g/cm3，能显著降低复合材料的质量；硬度为225～341hbs，也保证了焚烧炉的质量。

11、进一步地，所述锡箔为n4镍箔(ni 99.9％，c≤0.02％)或n6镍箔(ni 99.5％，c≤0.15％)，其具有良好的塑性变形能力，能够较好的缓解热应力。

12、优选为n4镍箔，其含碳量更低，缓解热稳定性的能力更好。

13、进一步地，所述镍箔的厚度为0.003～0.2mm，优选为0.005～0.1mm。该厚度在有效缓解热应力的同时，焊接效果也更好。

14、本发明还提供上述轻量化耐烧蚀层状双金属复合材料的制备方法，包括步骤：

15、s1、原材料准备：对ta15钛合金、yg硬质合金和镍箔进行预处理，将碳纸和铜箔剪至与上述合金相同的尺寸备用；

16、s2、原材料组装：将预处理后的yg硬质合金、镍箔和ta15钛合金依次堆叠，构成基础结构组，多个基础结构组依次堆叠构成整体叠层结构，每个基础结构组之间用碳纸隔开，最后利用铜箔包裹固定好整体叠层结构作为试样；

17、s3、真空扩散焊接：利用高温真空热压烧结炉对试样进行扩散焊接，炉内保温结束后进行炉冷，冷至室温后取出即得所述复合材料。

18、进一步地，高温真空热压烧结炉的扩散温度为900～980℃，压强为10～20mpa，扩散气氛为氩气。

19、进一步地，扩散温度优选为930～960℃，压强优选为12～16mpa。

20、进一步地，炉内的升温速率为5～15℃/min，保温时长为60～120min，炉冷速率为3～7℃/min。

21、本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明通过yg系列硬质合金和ta15钛合金的复合，搭配各层特定的厚度，1mm厚硬质合金耐烧蚀层足以长期有效地提供优异的耐烧蚀性能，而4mm厚钛合金减质层在保证炉子具有良好的强度、韧性、塑性以及耐蚀性的同时，使整个炉子具有较低的密度，真空扩散焊后仍能满足焚烧炉材料轻量化的需求。

23、2、本发明通过调控ta15钛合金的具体成分，寻找ta15钛合金较佳的成分区间，从而进一步提高了该复合材料轻量化和耐烧蚀的优势。