權利要求

1.基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟： S1.根據需要將若干塊鎂合金板和鈦合金板分別進行退火韌化處理，鈦合金板的退火韌化處理溫度為730℃～780℃，保溫時間為120~180min；鎂合金板的退火韌化處理溫度為350～400℃，保溫時間為120~180min； S2.利用激光清洗分別對鈦合金板和鎂合金板的待復合表面進行處理，使新鮮金屬露出，并通過控制激光清洗參數，在待復合表面上制備平行于板材寬度方向的微織構； 其中，鎂合金板待復合面激光清洗的激光功率為50W~100W，掃描速率為2000mm/s~3000mm/s，激光束掃描線寬為35mm~45mm，鎂合金板上微織構的深度為300μm~500μm；鈦合金板待復合面激光清洗的激光功率為150W~200W，掃描速率為3500mm/s~4000mm/s，激光束掃描線寬為25mm~35mm，鈦合金板上微織構的深度為500μm~800μm； S3.首先，將步驟S2制備的若干塊鎂合金板和鈦合金板依次交替層疊組合，鎂合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波峰相配合，鎂合金板待復合表面上微織構的波峰區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)相配合，制得層狀復合坯料，并且層狀復合坯料的上下兩側表面均為鈦合金板；然后，用鋁質鉚釘將層疊的復合坯料固定，并將鋁質鉚釘固定的層狀復合坯料放置于耐高溫材料包裹中；最后，耐高溫材料包裹抽真空并封套口，留待后步使用； S4.將步驟S3制得的耐高溫材料包裹和層狀復合坯料置于加熱爐中進行軋制前預熱處理，預熱溫度為550℃～600℃；預熱時間為90min； S5.將步驟S4預熱后的層狀復合坯料進行熱軋，首道次壓下率為10％～15％，總壓下率為30％～40％，軋制速度為0.5m/min～2m/min，制得鎂/鈦層狀復合軋材； S6.將步驟S5制得的鎂/鈦層狀復合軋材放入加熱爐中進行退火處理，退火溫度為350℃~400℃，保溫時間為120min~180min，隨爐冷卻至室溫，制得鎂/鈦層狀波形界面復合材料。2.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S2中，激光清洗過程中激光束與待復合表面相互垂直，激光束的焦點位于待復合表面上。 3.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S2中，每一道微織構首尾相接，連續(xù)的微織構整體上呈蛇形沿板材的長度方向設置。 4.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S2中，通過設置激光往復掃描次數控制微織構的深度。 5.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S3中，鎂合金板與鈦合金板單層厚度比為（1~5）:1，并且層狀復合坯料的總厚度不大于50mm。 6.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S3中，耐高溫材料包裹抽真空后的真空度保持在0.01Pa～0.05Pa。 7.根據權利要求1所述的基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，其特征在于：在所述步驟S3中，所述耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維。

說明書

技術領域

本發(fā)明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及的是一種基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法。

背景技術

鈦及鈦合金作為新型的高性能金屬結構材料，具有良好的塑形和韌性以及足夠的耐蝕性等特點，尤其是比強度較高，所以被廣泛應用于航空航天、石油化工等高新技術領域，但其缺點是成本較高；鎂是金屬結構材料中最輕的一種，優(yōu)點是比強度高、減震性好、價格低廉，但耐腐蝕和耐高溫的性能較差。所以，若將鈦和鎂結合，制成鈦/鎂層狀金屬復合材料，其將兼有鈦的高強度、耐蝕性、耐高溫和鎂的低比重、價格低廉的特點，在建筑、工業(yè)、國防等領域具有十分廣闊的應用前景。

鈦和鎂的物理、化學性質相差很大，如熔點、導熱系數、線膨脹系數等，不利于二者的復合。另外，結合Mg-Ti平衡二元相圖知，Mg、Ti之間的固溶度非常小，且二者不會形成任何金屬間化合物，冶金結合性差。除此之外，鈦和鎂都是活躍金屬，很容易氧化，形成氧化層會阻礙鈦和鎂的結合。這些都是二者實現高強度復合時遇到的困難問題。

目前，制備鈦/鎂層狀復合板的方法主要是爆炸焊接法和熱軋復合法。

爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產生的沖擊力，使鈦合金板與鎂合金板高速碰撞，實現鈦與鎂之間的冶金結合，界面為波狀結合，結合強度高。但是，爆炸焊接法不僅存在能量消耗大、環(huán)境污染嚴重、工序繁雜、生產效率低和產品成本高等問題，而且無法連續(xù)化生產大尺寸大卷重層狀復合材料。

當前，軋制法制備金屬層狀復合材料已經成為一種趨勢，由于鈦、鎂兩種金屬的材料性能(變形抗力、塑性、導熱性、熔點等)差異較大，在制備過程中主要存在兩個問題，一是軋后鈦鎂變形極不協調，二是復合板界面為平直結合，結合強度偏低，界面易分層。

波形結合界面和平直界面是金屬層狀復合材料常規(guī)的結合界面，而波形結合界面是爆炸焊接復合板的特有界面，因為波形界面有利于擴大異種材料的冶金結合區(qū)，同時形成機械互鎖效應，將會增加界面結合強度。軋制法制備復合板通常是平直的結合界面，強度較波形界面較低，后期彎曲、卷制等加工常出現界面分層。如果能夠利用軋制法制備波形界面，將加大復合材料界面結合強度，有利于軋制復合材料后期再加工制造。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是針對背景技術的不足，本發(fā)明提供一種基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法。

本發(fā)明的設計構思為：對鎂合金板和鈦合金板進行表面激光清洗，通過控制激光參數，在鎂合金板和鈦合金板的待復合界面制備平行于板材寬度方向微織構，鎂合金板和鈦合金板依次交替層疊組合形成層狀復合坯料，然后進行熱軋復合和退火處理，所制備的鈦/鎂層狀復合材料界面為波形結合，波形界面擴大了鈦、鎂異種金屬冶金結合區(qū)，同時波形界面產生機械互鎖效益，有利于增加了鎂/鈦復合材料界面結合強度。

本發(fā)明采用以下技術方案予以實現：

基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，包括以下步驟：

S1.根據需要將若干塊鎂合金板和鈦合金板分別進行退火韌化處理，鈦合金板的退火韌化處理溫度為730℃～780℃，保溫時間為120~180min；鎂合金板的退火韌化處理溫度為350～400℃，保溫時間為120~180min；

S2.利用激光清洗分別對鈦合金板和鎂合金板的待復合表面進行處理，使新鮮金屬露出，并通過控制激光清洗參數，在待復合表面上制備平行于板材寬度方向的微織構；

其中，鎂合金板待復合面激光清洗的激光功率為50W~100W，掃描速率為2000mm/s~3000mm/s，激光束掃描線寬為35mm~45mm，鎂合金板上微織構的深度為300μm~500μm；鈦合金板待復合面激光清洗的激光功率為150W~200W，掃描速率為3500mm/s~4000mm/s，激光束掃描線寬為25mm~35mm，鈦合金板上微織構的深度為500μm~800μm；

S3.首先，將步驟S2制備的若干塊鎂合金板和鈦合金板依次交替層疊組合，鎂合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波峰相配合，鎂合金板待復合表面上微織構的波峰區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)相配合，制得層狀復合坯料，并且層狀復合坯料的上下兩側表面均為鈦合金板；然后，用鋁質鉚釘將層疊的復合坯料固定，并將鋁質鉚釘固定的層狀復合坯料放置于耐高溫材料包裹中；最后，耐高溫材料包裹抽真空并封套口，留待后步使用；

S4.將步驟S3制得的耐高溫材料包裹和層狀復合坯料置于加熱爐中進行軋制前預熱處理，預熱溫度為550℃～600℃；預熱時間為90min；

S5.將步驟S4預熱后的層狀復合坯料進行熱軋，首道次壓下率為10％～15％，總壓下率為30％～40％，軋制速度為0.5m/min～2m/min，制得鎂/鈦層狀復合軋材；

S6.將步驟S5制得的鎂/鈦層狀復合軋材放入加熱爐中進行退火處理，退火溫度為350℃~400℃，保溫時間為120min~180min，隨爐冷卻至室溫，制得鎂/鈦層狀波形界面復合材料。

進一步地，在所述步驟S2中，激光清洗過程中激光束與待復合表面相互垂直，激光束的焦點位于待復合表面上。

進一步地，在所述步驟S2中，每一道微織構首尾相接，連續(xù)的微織構整體上呈蛇形沿板材的長度方向設置。

進一步地，在所述步驟S2中，通過設置激光往復掃描次數控制微織構的深度。

進一步地，在所述步驟S3中，鎂合金板與鈦合金板單層厚度比為（1~5）:1，并且層狀復合坯料的總厚度不大于50mm。

進一步地，在所述步驟S3中，耐高溫材料包裹抽真空后的真空度保持在0.01Pa～0.05Pa。

進一步地，在所述步驟S3中，所述耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維。

與現有技術相比本發(fā)明的有益效果為：

由Mg~Ti平衡二元相圖知，Mg、Ti之間的固溶度非常小，且二者不會形成任何金屬間化合物，很難在鎂板和鈦板之間形成冶金結合界面，而且傳統(tǒng)的軋制方法制得的復合材料界面為平直界面。

本發(fā)明軋制前對鎂合金板和鈦合金板的待復合面進行激光清洗，制備微織構，然后進行軋制復合，使鎂/鈦連接界面產生波狀結合面，增加冶金結合區(qū)域，同時產生機械互鎖，增加了鎂/鈦復合材料的界面結合強度。此外，激光清洗方法相對于傳統(tǒng)的化學清洗和機械清洗效率更好，且環(huán)保、無污染。

附圖說明

圖1為實施例1中鈦-鎂-鈦三層層狀復合材料軋制狀態(tài)結構示意圖；

圖2為激光清洗路徑；

圖3為實施例1中層狀復合坯料縱剖結構示意圖；

圖4為實施例1制得的復合材料波形結合界面微觀形貌圖；

圖5為未激光清洗軋制鎂/鈦復合材料平直結合界面微觀形貌圖；

圖6為實施例1制得的鎂/鈦復合材料界面元素擴散圖。

圖中：1為鈦合金板，2為鎂合金板，3為軋輥。

具體實施方式

下面結合說明書附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

實施例1

本實施例1選擇一塊AZ31B鎂合金板和兩塊TA2鈦合金板作為軋制復合的母材，AZ31B鎂合金板的尺寸為：長度450mm×寬度300mm×厚度10mm，TA2鈦合金板的尺寸為：長度450mm×寬度300mm×厚度2mm。

基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，包括以下步驟：

S1.根據需要將鎂合金板和鈦合金板分別進行退火韌化處理，鈦合金板的退火韌化處理溫度為750℃，保溫時間為150min；鎂合金板的退火韌化處理溫度為380℃，保溫時間為150min；

S2.利用激光清洗分別對鈦合金板和鎂合金板的待復合表面進行處理，激光清洗過程中激光束與待復合表面相互垂直，激光束的焦點位于待復合表面上，使新鮮金屬露出，并通過控制激光清洗參數，在待復合表面上制備平行于板材寬度方向的微織構，如圖2所示；

其中，鎂合金板待復合面（鎂合金板的上表面和下表面）激光清洗的激光功率為75W，掃描速率為2500mm/s，激光束掃描線寬為40mm，鎂合金板上微織構的深度為400μm；鈦合金板待復合面（每一鈦合金板的單面）激光清洗的激光功率為150W，掃描速率為4000mm/s，激光束掃描線寬為30mm，鈦合金板上微織構的深度為600μm，通過控制激光往復掃描次數控制微織構深度，并且使鈦合金表面的微織構深度大于鎂合金板表面微織構深度；

S3.首先，將步驟S2制備的鎂合金板和鈦合金板按照鈦-鎂-鈦的順序由上至下依次交替層疊組合，如圖3所示，鎂合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波峰相配合，鎂合金板待復合表面上微織構的波峰區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)相配合，制得層狀復合坯料，并且層狀復合坯料的上下兩側表面均為鈦合金板，本實施例1中層狀復合坯料的厚度為14mm；然后，用鋁質鉚釘將層疊的復合坯料固定，并將鋁質鉚釘固定的層狀復合坯料放置于耐高溫材料包裹中，耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維；最后，耐高溫材料包裹抽真空并封套口，耐高溫材料包裹抽真空后的真空度保持在0.03Pa，留待后步使用；

S4.將步驟S3制得的耐高溫材料包裹和層狀復合坯料置于加熱爐中進行軋制前預熱處理，預熱溫度為600℃，預熱時間為90min；

S5.如圖1所示，將步驟S4預熱后的層狀復合坯料進行熱軋，首道次壓下率為15％，總壓下率為40％，軋制速度為1m/min，制得鎂/鈦層狀復合軋材；

S6.將步驟S5制得的鎂/鈦層狀復合軋材放入加熱爐中進行退火處理，退火溫度為350℃，保溫時間為180min，隨爐冷卻至室溫，制得鎂/鈦層狀波形界面復合材料。

進一步地，在所述步驟S3中，所述耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維。

按照GB/T7734-2015復合板超聲波檢驗的要求對TA2/AZ31B/TA2波紋界面復合材料界面進行探傷，探傷結果表明TA2/AZ31B/TA2波紋界面復合板的結合率為99.8%；根據GB/T6369-2008，測試TA2/AZ31B/TA2波紋界面復合板界面拉剪強度，界面的拉剪強度為220MPa，對拉剪斷裂界面進行面掃描分析，兩斷裂面的組成元素全部為鎂，說明拉剪斷裂發(fā)生在鎂合金位置，而不是在界面位置，證明了基于軋制方法制備的TA2/AZ31B/TA2復合材料界面結合強度高；如圖4所示，利用掃面電鏡SEM觀察復合界面，結合區(qū)域呈現出波形狀，界面結合完好，無氣孔、裂紋等缺陷。如圖6所示，利用EDS在界面附近做線掃面分析，鎂元素和鈦元素發(fā)生擴散，說明兩種材料通過擴散反應實現了冶金結合。

采用本實施例1的方法，區(qū)別僅在于軋制前采用常規(guī)方法處理表面，不進行激光清洗制備表面微織構，其他步驟相同，獲得鈦/鎂界面為平直結合，如圖5所示，接頭強度為180MPa，接頭沿鈦/鎂界面開裂。

實施例2

本實施例2選擇一塊AZ61鎂合金板和兩塊TA2鈦合金板作為軋制復合的母材，AZ61鎂合金板的尺寸為：長度450mm×寬度300mm×厚度10mm，TA2鈦合金板的尺寸為：長度450mm×寬度300mm×厚度2mm。

基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法，包括以下步驟：

S1.根據需要將鎂合金板和鈦合金板分別進行退火韌化處理，鈦合金板的退火韌化處理溫度為750℃，保溫時間為150min；鎂合金板的退火韌化處理溫度為380℃，保溫時間為150min；

S2.利用激光清洗分別對鈦合金板和鎂合金板的待復合表面進行處理，激光清洗過程中激光束與待復合表面相互垂直，激光束的焦點位于待復合表面上，使新鮮金屬露出，并通過控制激光清洗參數，在待復合表面上制備平行于板材寬度方向的微織構；

其中，鎂合金板待復合（鎂合金板的上表面和下表面）面激光清洗的激光功率為75W，掃描速率為2500mm/s，激光束掃描線寬為40mm，鎂合金板上微織構的深度為400μm；鈦合金板待復合面（每一鈦合金板的單面）激光清洗的激光功率為150W，掃描速率為3500mm/s，激光束掃描線寬為30mm，鈦合金板上微織構的深度為650μm，通過控制激光往復掃描次數控制微織構深度，并且使鈦合金表面的微織構深度大于鎂合金板表面微織構深度；

S3.首先，將步驟S2制備的鎂合金板和鈦合金板按照鈦-鎂-鈦的順序由上至下依次交替層疊組合，鎂合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波峰相配合，鎂合金板待復合表面上微織構的波峰區(qū)與對應的鈦合金板待復合表面上微織構的波谷區(qū)相配合，制得層狀復合坯料，并且層狀復合坯料的上下兩側表面均為鈦合金板，本實施例2中層狀復合坯料的厚度為14mm；然后，用鋁質鉚釘將層疊的復合坯料固定，并將鋁質鉚釘固定的層狀復合坯料放置于耐高溫材料包裹中，耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維；最后，耐高溫材料包裹抽真空并封套口，耐高溫材料包裹抽真空后的真空度保持在0.03Pa，留待后步使用；

S4.將步驟S3制得的耐高溫材料包裹和層狀復合坯料置于加熱爐中進行軋制前預熱處理，預熱溫度為600℃，預熱時間為90min；

S5.將步驟S4預熱后的層狀復合坯料進行熱軋，首道次壓下率為15％，總壓下率為40％，軋制速度為1m/min，制得鎂/鈦層狀復合軋材；

S6.將步驟S5制得的鎂/鈦層狀復合軋材放入加熱爐中進行退火處理，退火溫度為350℃，保溫時間為180min，隨爐冷卻至室溫，制得鎂/鈦層狀波形界面復合材料。

進一步地，在所述步驟S3中，所述耐高溫材料包裹的材質為耐高溫陶瓷纖維。

按照GB/T7734-2015復合板超聲波檢驗的要求對TA2/AZ61/TA2波紋界面復合材料界面進行探傷，探傷結果表明TA2/AZ61/TA2波紋界面復合板的結合率為99.8%；根據GB/T6369-2008，測試TA2/AZ61/TA2波紋界面復合板界面拉剪強度，界面的拉剪強度為210MPa，對拉剪斷裂界面進行面掃描分析，兩斷裂面的組成元素全部為鎂，說明拉剪斷裂發(fā)生在鎂合金位置，而不是在界面位置，證明了基于軋制方法制備的TA2/AZ61/TA2復合材料界面結合強度高；利用掃面電鏡SEM觀察復合界面，結合區(qū)域呈現出波形狀，界面結合完好，無氣孔、裂紋等缺陷。利用EDS在界面附近做線掃面分析，鎂元素和鈦元素發(fā)生擴散，說明兩種材料通過擴散反應實現了冶金結合。

采用本實施例2的方法，區(qū)別僅在于軋制前采用常規(guī)方法處理表面，不進行激光清洗制備表面微織構，其他步驟相同，獲得鈦/鎂界面為平直結合，接頭拉剪強度為175MPa，接頭沿鈦/鎂界面開裂。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。

基于軋制方法制備鎂/鈦層狀波形界面復合材料的方法.pdf