一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法 |
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| 申请号 | CN202410093207.1 | 申请日 | 2024-01-23 | 公开(公告)号 | CN117862230A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 邵斌; 李涛; 宗影影; 高晨曦; 邵玉卓; 单德彬; | ||||
| 摘要 | 一种通过介稳态 轧制 制备高强 铝 /Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它涉及制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。本 发明 要解决 现有技术 难以制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的问题。方法：一、叠放密封；二、介稳态 热处理 及轧制；三、轧后热处理。本发明用于通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，其特征在于它是按以下步骤进行的： |
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| 说明书全文 | 一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法 技术领域[0001] 本发明涉及制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。 背景技术[0002] 随着航天航空、军工和交通运输等行业的发展，对金属构件性能的要求越来越高，其服役环境更加复杂多变，低密度、高强度、耐高温和低成本是未来的方向发展，单一金属已经难以满足越来越高的综合性能要求。金属复合板融合了多种金属的特性，是提高金属材料综合性能的重要途径。Ti2AlNb基合金具有高强度、耐高温以及耐腐蚀的优良性能，服役温度超过700℃，常被用于超高音速飞行器蒙皮等高温服役环境。高强铝合金密度低、强度高、成本低，但是高温强度相对较差，因此将Ti2AlNb基合金与高强铝合金复合制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板兼顾耐高温、轻量化和低成本的特点，在跨温度区间短时服役环境具有独特的优势，特别适合用作高超音速导弹蒙皮等全服役周期只有短时超过700℃的构件，在航空航天领域有重要应用。但是，Ti2AlNb基合金与高强铝的加工温存在巨大差异，变形抗力和延展率等也存在明显差异，这使得高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的制备极为困难。 发明内容[0003] 本发明要解决现有技术难以制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的问题，进而提供一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。 [0004] 一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的： [0005] 一、叠放密封： [0006] 对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板； [0008] 在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温，然后在温度为650℃～800℃的条件下保温，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板； [0009] 三、轧后热处理： [0010] 对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。 [0011] 本发明的有益效果是： [0012] 一、本发明采取介稳态热处理，第一段热处理是在较低温度下保温较长时间，增加了两种金属板的塑性，缩短了第二段热处理的时间，防止高强铝合金熔化；第二段热处理是在较高温度下短时保温，Ti2AlNb的加工温度在650℃以上，而高强铝合金的熔点在650℃以下，如果长时间加热会导致高强铝合金熔化。但是在650℃下短时保温，高强铝合金处于未熔化与熔化的中间状态，仍具有一定的加工强度。该处理方式匹配了两者合金的加工强度。 [0013] 二、三层复合板为高强铝/Ti2AlNb/高强铝的层叠方式，其外侧的高强铝合金与轧机的冷辊接触，加工温度低，防止高强铝合金熔化；而处于中心的Ti2AlNb基合金降温慢，在轧制过程中处于较高的可加工温度范围，增加了Ti2AlNb基合金的塑性。以上的处理方式都是为了使Ti2AlNb基合金在轧制时达到较高温度，降低加工强度，同时保证高强铝合金不熔化，实现高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的成功轧制制备。 [0014] 三、高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板具有优异的综合性能，能够替代目前高超音速飞行器蒙皮与结构件，实现减重和耐高温等多重功能。Ti2AlNb基合金的耐高温性能良好，能够在高超音速飞行器短时高温环境下服役，保持结构完整性。本发明制备的三层复合板结构，塑性差的Ti2AlNb基合金包裹在两层塑性良好的高强铝合金之间，当复合板发生变形时，由于两种合金存在界面连接，塑性好的高强铝合金会带动Ti2AlNb基合金进行变形，增加Ti2AlNb基合金的塑性。 [0016] 图1为本发明制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的示意图； [0017] 图2为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图； [0018] 图3为实施例二制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图； [0019] 图4为实施例三制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图； [0020] 图5为实施例四制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图； [0021] 图6为实施例五制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图； [0022] 图7为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的厚度分布图； [0023] 图8为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的数据测量图； [0024] 图9为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板在不同温度下保温3min后的拉伸曲线。 具体实施方式[0025] 具体实施方式一，结合图1具体说明：本实施方式为一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的： [0026] 一、叠放密封： [0027] 对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板； [0028] 二、介稳态热处理及轧制： [0029] 在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温，然后在温度为650℃～800℃的条件下保温，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板； [0030] 三、轧后热处理： [0031] 对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。 [0032] 本具体实施方式步骤二中介稳态热处理后立即进行轧制。 [0033] 本实施方式的有益效果是： [0034] 一、本实施方式采取介稳态热处理，第一段热处理是在较低温度下保温较长时间，增加了两种金属板的塑性，缩短了第二段热处理的时间，防止高强铝合金熔化；第二段热处理是在较高温度下短时保温，Ti2AlNb的加工温度在650℃以上，而高强铝合金的熔点在650℃以下，如果长时间加热会导致高强铝合金熔化。但是在650℃下短时保温，高强铝合金处于未熔化与熔化的中间状态，仍具有一定的加工强度。该处理方式匹配了两者合金的加工强度。 [0035] 二、三层复合板为高强铝/Ti2AlNb/高强铝的层叠方式，其外侧的高强铝合金与轧机的冷辊接触，加工温度低，防止高强铝合金熔化；而处于中心的Ti2AlNb基合金降温慢，在轧制过程中处于较高的可加工温度范围，增加了Ti2AlNb基合金的塑性。以上的处理方式都是为了使Ti2AlNb基合金在轧制时达到较高温度，降低加工强度，同时保证高强铝合金不熔化，实现高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的成功轧制制备。 [0036] 三、高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板具有优异的综合性能，能够替代目前高超音速飞行器蒙皮与结构件，实现减重和耐高温等多重功能。Ti2AlNb基合金的耐高温性能良好，能够在高超音速飞行器短时高温环境下服役，保持结构完整性。本实施方式制备的三层复合板结构，塑性差的Ti2AlNb基合金包裹在两层塑性良好的高强铝合金之间，当复合板发生变形时，由于两种合金存在界面连接，塑性好的高强铝合金会带动Ti2AlNb基合金进行变形，增加Ti2AlNb基合金的塑性。 [0037] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的高强铝合金板材为2系高强铝合金或7系高强铝合金。其它与具体实施方式一相同。 [0038] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的Ti2AlNb基合金板材为Ti‑22Al‑25Nb、Ti‑23Al‑17Nb、Ti‑25Al‑24Nb或Ti‑22Al‑27Nb。其它与具体实施方式一或二相同。 [0039] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的打磨具体是按以下步骤进行：依次使用200目、400目及800目的砂纸对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材进行打磨，然后清洗。其它与具体实施方式一至三相同。 [0040] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板中Ti2AlNb基合金板材与单侧高强铝合金板材的厚度比为1:(0.3～1)。其它与具体实施方式一至四相同。 [0042] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中在温度为250℃～400℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min～20min。其它与具体实施方式一至六相同。 [0043] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中在温度为650℃～800℃的条件下保温2min～5min。其它与具体实施方式一至七相同。 [0044] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中保温后30s内在轧辊温度为室温至200℃、轧制速度为0.5m/min～5m/min及总轧制量为30％～70％的条件下进行轧制，轧制道次为一道次或二道次，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板。其它与具体实施方式一至八相同。 [0045] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中所述的热处理具体是在温度为100℃～300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理30min～60min。其它与具体实施方式一至九相同。 [0046] 采用以下实施例验证本发明的有益效果： [0047] 实施例一： [0048] 一种通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法，它是按以下步骤进行的： [0049] 一、叠放密封： [0050] 对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材的拟结合面进行打磨，然后按由下至上依次为高强铝合金板材、Ti2AlNb基合金板材及高强铝合金板材的顺序进行叠放，然后密封处理，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板； [0051] 所述的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板的初始厚度为6mm； [0052] 二、介稳态热处理： [0053] 在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为680℃的条件下保温3min，保温后进行轧制，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板； [0054] 三、轧后热处理： [0055] 对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理，最后进行修整、清洗，即完成通过介稳态轧制制备高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的方法。 [0056] 步骤一中所述的高强铝合金板材为7075高强铝合金板材，厚度为2mm。 [0057] 步骤一中所述的Ti2AlNb基合金板材为Ti‑22Al‑25Nb，厚度为2mm。 [0058] 步骤一中所述的打磨具体是按以下步骤进行：依次使用200目、400目及800目的砂纸对高强铝合金板材及Ti2AlNb基合金板材进行打磨，然后使用酒精、丙酮清洗。 [0059] 步骤一中所述的密封处理为涂抹代号为DB5012的无机硅铝酸盐高温密封胶密封，具体操作如下：1、按照粉末和液体1.6g:1mL称取两组分，混合调匀成可流动的糊状，得到高温胶；2、叠放后，对叠放面施加垂直压力的情况下，沿侧表面缝隙涂抹高温胶；3、涂抹后在室温下放置12h，随后放入保温炉，先在80℃保温2h，后再150℃保温2h，密封完成。 [0060] 步骤二中保温后30s内在轧辊温度为室温、轧制速度为2m/min及轧制量为50％的条件下进行轧制，轧制道次为一道次，得到高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板。 [0061] 步骤三中所述的热处理具体是在温度为200℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合轧板进行热处理1h。 [0062] 实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为260℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温20min，然后在温度为680℃的条件下保温3min。其它与实施例一相同。 [0063] 实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制量为16％。其它与实施例一相同。 [0064] 实施例四：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制量为66％。其它与实施例一相同。 [0065] 实施例五：本实施例与实施例一不同的是：步骤二中在温度为300℃的条件下，对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层叠放板保温15min，然后在温度为700℃的条件下保温3min；步骤二中轧制道次为两道次，第一次轧制量为16％，第二次轧制量为40％，总扎质量为56％。其它与实施例一相同。 [0066] 图2为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图3为实施例二制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图4为实施例三制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图5为实施例四制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图；图6为实施例五制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的实物图。可以看出，Ti2AlNb结合金与高强铝合金变形协调且均匀，两种金属界面结合好，复合板表面质量好。所以，使用实施例的介稳态轧制方式，在不同扎质量与轧制道次下都可以制备出高质量的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板。 [0067] 图7为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的厚度分布图。使用游标卡尺对高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板上12个采样点进行测量，记录其厚度值。厚度范围为3.38mm～3.44mm，厚度分布均匀。 [0068] 图8为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的数据测量图。通过线切割将高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板切割成长方形。使用游标卡尺测量其外轮廓尺寸，依次为：厚度为3.54mm，宽度为18.85mm，长度为54.75mm，使用天平测量其重量为11.43g。通过测量数据粗略估计高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板的等效密度为3.12g/ 3 3 mm，相比于Ti2AlNb基合金的密度4.5g/mm，减重超过30％。由此得出该高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板运用在航天飞行器上可以实现减重效果。 [0069] 依据GB/T 228.2‑2015标准对材料进行拉伸测试；图9为实施例一制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板在不同温度下保温3min后的拉伸曲线。400℃下极限应力为530MPa，500℃下极限应力为337MPa，600℃下极限应力为260MPa，650℃下极限应力为 235MPa。其中，650℃接近高强铝合金的熔点，但在保温3min后依旧具有一定的强度，证明本实施例制备的高强铝/Ti2AlNb/高强铝三层复合板可以应用于高温服役环境，甚至在高强铝合金熔点附近短期内也能保持一定的强度。 |
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