一种钛/铝梯度材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于航空航天应用的高性能材料及其制备方法，具体涉及钛/铝梯度材料的粉末冶金制备技术。本发明专利技术的目的在于解决因现有制备过程中连接温度高、残余应力大、界面反应不易控制而难以获得具有高结合强度钛/铝梯度结构的问题。本发明专利技术采用粉末冶金成形、烧结方法制备钛烧结体和铝预烧结体，后将两预制体叠层进行第二步粉末冶金烧结，得到高性能钛/铝梯度材料。本发明专利技术所得高性能钛/铝梯度材料基体无明显形变、界面抗拉伸强度大于等于100MPa。本发明专利技术可适用于较大尺寸钛/铝梯度材料的制备，并可扩展到其它异种金属梯度结构。本发明专利技术操作简单、易于控制，便于产业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种钛/铝梯度材料及其制备方法
本专利技术涉及一种基于航空航天应用的高性能材料及其制备方法，具体涉及一种钛/铝梯度材料及其制备方法。
技术介绍
在航空航天领域，研究学者对减少燃料用量、提高装载量和航程的要求越来越高，因此结构轻量化成为不可避免的趋势。钛和铝都具有低密度、高比强和高比刚度等优良特性，是目前航空航天领域应用最多的轻质金属材料，发展轻质钛/铝梯度结构可有效减轻全钛结构的整体质量，同时能综合发挥两材料的性能优势。此外，新型钛/铝梯度材料具有的密度梯度特性能有效实现动能的高效耗散，通过对航天器设置密度梯度材料防护屏，以最大限度的减小和分散入射空间碎片动能，可有效实现对航天器的防护。钛/铝梯度材料制备过程中，钛与铝的界面结合是关键。但是，钛和铝在高温下发生反应，生成不同类型的金属间化合物，大量脆性金属间化合物的存在导致两者的界面结合质量不高。此外，钛与铝的热物理性能和力学性能差异较大，如钛的熔点比铝高近1000℃，采用传统熔化焊技术将造成铝合金中元素的蒸发损失，同时钛的室温线膨胀系数约为铝的1/3，而热导率不到铝的1/10，在残余应力作用下界面附近易于产生裂纹。目前，实现钛/铝界面结合的技术主要有真空扩散焊、瞬时液相扩散焊以及钎焊。文献“PreparationofTC4/LY12jointbyvacuumdiffusionwelding,ZengH，LuoG，ShenQ，WangCB,ZhangLM:AdvancedMaterialsResearch,2009；66：p.242-245.”采用真空扩散焊接TC4钛合金和2A12铝合金，所获界面最高拉伸强度约为60MPa。文献“MicrostructuralevaluationandmechanicalpropertiesofthediffusionbondedAl/Tialloysjoint,KenevisiMS,MousaviKhoieSM,AlaeiM:MechanicsofMaterials,2013；64:p.69-75.”和文献“AninvestigationonmicrostructureevolutionandmechanicalpropertiesduringliquidstatediffusionbondingofAl2024toTi–6Al–4V,SamavatianM,HalvaeeA,AmadehAA:MaterialsCharacterization,2014；98:p.113-118.”均采用瞬时液相扩散焊接钛合金与铝合金，前者采用Sn–4Ag–3.5Bi作为中间层，后者采用Cu/Sn/Cu作为中间层，其最大剪切强度均仅为36MPa。文献“Brazingof6061aluminumalloy/Ti–6Al–4VusingAl–Si–Cu–Gefillermetals,ChangSY,TsaoLC,LeiYH:JournalofMaterialsProcessingTechnology,2012；212:p.8-14.”采用Al–8.4Si–20Cu–10Ge-0.1Re作为钎料对钛/铝钎焊，所获界面最大剪切强度仅为51MPa。姚为等在稀有金属材料与工程(2007,36(4):700-704)和焊接学报(2007,28(12):89-92上报道：采用真空扩散焊接技术分别对TA2和5A06以及TA2和1035进行结合，前者在650℃保温20h并加载5MPa时所获钛/铝剪切强度最高，为67MPa，但长时间的焊接热循环导致铝基体强度明显下降，后者在525℃保温4h加载12MPa所获钛/铝剪切强度最高，为83MPa，基体发生严重变形，两者界面处均存在大量金属间化合物，界面结合性能有待进一步提高。综上所述，国内外真空扩散焊钛/铝的界面结合强度大多在85MPa以下，而采用瞬时液相扩散焊和钎焊制备钛/铝梯度结构，由于加入不同于基体成分的中间层或者钎料，导致界面成分复杂，材料的应用环境受到限制。目前，还没有成熟稳定的工艺实现钛与铝的高性能直接结合，而航空航天的应用环境对结合性能提出了更高要求。因此，本领域迫切需要设计一种新的制备方法减少界面处有害中间相的产生，获得具有高结合强度的钛/铝梯度结构。
技术实现思路
专利技术人以防止基体中晶粒和界面处有害金属间化合物过度长大造成基体及界面结合强度降低为出发点，首创“一步实现铝基体致密化和钛/铝梯度材料制备”的思路。本专利技术的目的在于解决因现有制备过程中连接温度高、残余应力大、界面反应不易控制而难以获得具有高结合强度钛/铝梯度结构的问题，提供一种基于航空航天应用的高性能钛/铝梯度材料及其粉末冶金制备方法。本专利技术一种钛/铝梯度材料；所述钛/铝梯度材料包括钛基体层、铝基体层，所述钛基体层、铝基体层直接接触；所述钛基体层和铝基体层之间的界面抗拉强度大于等于100MPa。本专利技术一种钛/铝梯度材料；钛基体层的材质为纯钛或钛合金；铝基体层的材质为纯铝或铝合金。本专利技术一种钛/铝梯度材料；所述钛合金选自TA×、TB×、TC×合金中的一种；所述铝合金选自Al-Mg系合金、Al-Mn系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金中的至少一种。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；包括以下步骤：步骤一以钛基体粉末和铝基体粉末为原料，压制成形，分别得到钛基体压坯和铝基体压坯；步骤二将步骤一所得钛基体压坯在1250℃-1400℃进行烧结，得到钛基体；将步骤一所得铝基体压坯在550℃-625℃进行烧结，得到铝基体；步骤三将步骤二所得钛基体与铝基体叠层后，在真空气氛下，首先采用5-15℃/min优选为5-10℃/min的升温速率升温至280-320℃、优选为290-310℃、进一步优选为300℃，保温，然后以5-15℃/min、优选为5-10℃/min的升温速率升温至600-635℃，保温120-210min，保温过程中加载1-10MPa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃，保温，保温后随炉冷至室温。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；经粉末预处理、成形、烧结(或预烧结)使钛基体和铝基体获得一定强度，后将两者叠层进行粉末冶金烧结，得到性能优越的钛/铝梯度材料。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；所述粉末预处理为：将粒度为45-58μm的钛基体粉末和10-58μm的铝基体粉末在60-80℃的烘箱中烘干4-6小时。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；所述钛基体粉末的粒度为45-58μm，所述铝基体粉末的粒度为10-58μm。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；步骤一中，压制成形的压制压力为10-20MPa，保压时间为5-30s，压制所得钛基体压坯和铝基体压坯的厚度为1-15mm。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；步骤一中，压制成形优选为模压成形；模压成形的内壁均匀涂有润滑剂。所述润滑剂优选为硬脂酸。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；步骤二中，将步骤一所得钛基体压坯在1250℃-1400℃进行烧结3-4h，得到钛基体；烧结时，控制压力为0-5MPa。本专利技术一种钛/铝梯度材料的制备方法；步骤二中所得钛基体的致密度大于等于97本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛/铝梯度材料；其特征在于：所述钛/铝梯度材料包括钛基体层、铝基体层；所述钛基体层、铝基体层直接接触；所述钛基体层和铝基体层之间的界面抗拉强度大于等于100MPa。

【技术特征摘要】
1.一种钛/铝梯度材料；其特征在于：所述钛/铝梯度材料包括钛基体层、铝基体层；所述钛基体层、铝基体层直接接触；所述钛基体层和铝基体层之间的界面抗拉强度大于等于100MPa。2.根据权利要求1所述的一种钛/铝梯度材料；其特征在于：钛基体层的材质为纯钛或钛合金；铝基体层的材质为纯铝或铝合金。3.根据权利要求2所述的一种钛/铝梯度材料；其特征在于：所述钛合金选自TA×、TB×、TC×合金中的一种；所述铝合金选自Al-Mg系合金、Al-Mn系合金、Al-Cu-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金中的至少一种。4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述一种钛/铝梯度材料的方法；其特征在于；包括以下步骤：步骤一以钛基体粉末和铝基体粉末为原料，压制成形，分别得到钛基体压坯和铝基体压坯；步骤二将步骤一所得钛基体压坯在1250℃-1400℃进行烧结，得到钛基体；将步骤一所得铝基体压坯在550℃-625℃进行烧结，得到铝基体；步骤三将步骤二所得钛基体与铝基体叠层后，在真空气氛下，首先采用5-15℃/min的升温速率升温至280-320℃，保温，然后以5-15℃/min的升温速率升温至600-635℃，保温120-210min，保温过程中加载1-10MPa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃，保温，保温后随炉冷至室温。5.根据权利要求4所述的一种钛/铝梯度材料的制备方法，其特征在于：所述钛基体粉末的粒度为45-58μm，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文胜，龙路平，马运柱，伍镭，刘超，刘阳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43