包套叠轧制备Ti/Al层状板的方法及Ti/Al层状板与流程

包套叠轧制备ti/al层状板的方法及ti/al层状板
技术领域
1.本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法及ti/al层状板。


背景技术：

2.层状复合材料源于自然界，仿照贝壳珍珠层结构，兼具塑性和强度的特性。其秉承了贝壳逐层失效的特点，减小了材料对原始裂纹缺陷的敏感性，不牺牲强度的基础上提高了材料的断裂韧性。层间距较小及多界面效应使得该材料在性能上会优于相应的单体材料。小的层间距起到了细化晶粒的作用，小尺寸微粒限制了缺陷尺寸，从而增强了材料的各方面性能。
3.ti/al层状复合板兼具ti和al两种金属的特征，具有重量轻、耐高温，高导热性、高耐磨性、高耐蚀性、高强度等特点，在航空航天、石油化工和汽车工业等方面具有广阔的应用前景。层状复合材料优异性能大多来自界面处的协调变形，保持金属层的协调变形是制备高性能ti/al复合板的关键。
4.目前ti/al层状板材的制备研究主要都是需要采用包套处理。包套是为了协调塑性变形、防止层间开裂，减少材料内部裂纹；防止轧制过程中板材错位，变形量差异过大；固定两种板材，大量减少热量损失，阻碍裂纹扩展以及有效防止合金发生氧化。ti、al两种金属材料强度和塑性差别较大，两种材料叠加在一起轧制，在轧制过程中容易产生变形不协调，ti层容易产生劲缩、断裂等现象，从而破坏其层状连续性。
5.目前报道的ti/al层状板材的制备专利中主要采用包套热轧工艺。然而包套热轧工艺制备薄板很难控制尺寸精度。并且在热轧过程中，ti、al界面容易生成tial3相。硬脆tial3相的持续增厚和粗化会使ti、al界面的结合变弱。
6.因此，为了获得厚度精准可控的薄板，本发明采用了包套冷轧工艺制备ti/al层状板。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，提供一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法及ti/al层状板。
8.本发明一方面，提供一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法，所述方法包括：将ti箔和al箔切割为坯料，并对坯料表面预处理；
9.对包套表面处理，将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中，并对包套焊接处理；
10.对焊接后的包套进行扩散处理；
11.将扩散处理后的包套在室温下轧制；
12.去除包套，取出ti/al层状板。
13.可选地，所述包套采用低碳钢包套。
14.可选地，所述低碳钢包套为q195低碳钢包套，q215低碳钢包套，q235低碳钢包套，q255低碳钢包套，q275低碳钢包套中的任意一种。
15.可选地，扩散处理的温度范围为300℃-650℃，保温时间范围为10min-120min。
16.可选地，将扩散处理后的包套在室温下轧制，包括：在室温下对包套进行每道次轧制，并在每道次间热处理，直至轧制到预设变形量。
17.可选地，轧制道次压下量为20～30％，轧制总道次为4～7，所述预设变形量为60％～90％。
18.可选地，所述热处理的温度范围为330～650℃，时间范围为10-120min。
19.可选地，所述包套焊接处理采用四边焊接工艺。
20.可选地，在将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中时，最顶层放置的是ti箔。
21.可选地，所述ti/al层状板厚度可为0.6mm-1.2mm。
22.本发明另一方面，提出一种ti/al层状板，根据前文记载的所述的方法制得。
23.本发明提出一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法及ti/al层状板，方法包括：将ti箔和al箔切割为坯料，并对坯料表面预处理；对包套表面处理，将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中，并对包套焊接处理；对焊接后的包套进行扩散处理；将扩散处理后的包套在室温下轧制；去除包套，取出ti/al层状板。本发明通过包套冷轧可以制备出ti箔和al箔结合良好的层状板，去包套后板材表面平整光滑，板形良好，实现了ti箔和al箔在轧制变形量达90％的前提下，依旧保持较为良好的协调变形，界面平直光滑，未见明显缺陷。
附图说明
24.图1为本发明一实施例的包套叠轧制备ti/al层状板的方法的流程框图；
25.图2为本发明另一实施例的ti/al层状板包套制备法制备的工艺路线图；
26.图3为本发明实施例1变形量为75％的ti/al薄板显微组织图，其中，图3中的(a)为标尺为50μm的薄板显微组织图，图3中的(b)为标尺为20μm的薄板显微组织图；
27.图4为本发明实施例2得到的ti/al薄板实物图；
28.图5为本发明对比例1得到的ti/al薄板实物图；
29.图6为本发明实施例3所得的ti/al薄板实物图；
30.图7为本发明实施例3所得的ti/al薄板显微组织图。
具体实施方式
31.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
32.如图1和图2所示，本发明的一方面，提出一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法s100，方法包括下述步骤s110～s150：
33.s110、将ti箔和al箔切割为坯料，并对坯料表面预处理。
34.具体地，选取厚度为0.05mm-0.2mm的箔材坯料，采用无水乙醇超声清洗ti箔、al箔，并将ti箔和al箔裁剪成方形实验坯料。
35.需要说明的是，在步骤s110中，可以先对箔材切割成预设尺寸的坯料，再对坯料进行表面预处理；当然，也可以先对箔材表面预处理，再将预处理后的箔材进行切割，对此处理顺序不作具体限定，本领域技术人员可以根据工艺需求进行选择。
36.进一步需要说明的是，在本实施方式中，对于上述箔材的厚度、尺寸等均不作具体限定，可以根据实际需求进行具体设置，例如，选取上述0.05-0.2mm厚度的箔材，裁剪为55mm
×
55mm的方形坯料，箔材层数为41层，其中，ti箔层数为21层，al箔层数为20层；当然，也可以设置箔材层数为59层，其中，ti箔层数为30层，al箔层数为29层，当然，还可以设置其他层数，切割成其他尺寸、形状的坯料。
37.s120、对包套表面处理，将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中，并对包套焊接。
38.具体地，对包套上下盖板进行表面处理，去除表面氧化皮，将ti箔和al箔若干层交替叠放后放入包套，其中，最顶层放置的是ti箔，之后对包套进行焊接。
39.在本实施方式中，由于ti箔的强度比al箔高，将最顶层设置为ti箔，可以承受更大的荷载，且ti箔的耐高温腐蚀性能更优，使得ti/al层状板的性能更优。
40.进一步需要说明的是，制备层状板要考虑实验材料之间的物理与化学相容性。由于ti箔和al箔的化学性质和强度、韧性、热膨胀系数等物理性质之间的差别，轧制过程中难以控制其协调变形，影响组织均匀性。从而包套处理在层状板的设计上具有关键性作用，合理设计包套规格及材料对于ti/al层状板的协调变形具有重要意义。
41.仍需要说明的是，在本实施方式中，轧制包套的尺寸规格是根据坯料尺寸进行加工，包套由上下盖板和中间框组成。
42.仍需要说明的是，包套材质的选择对板材轧制过程中的变形协调性、材料内部裂纹等具有重要作用，在本实施方式中，包套采用低碳钢包套，相对于目前采用的304不锈钢包套来说，该低碳钢包套与实验材料(ti箔和al箔)的热膨胀系数差异较小，在冷轧过程中变形抗力小，以及，包套的变形抗力与实验材料也相差较小，使得室温轧制最终成形的板材平直光滑，裂纹缺陷较少。
43.在一些优选实施例中，低碳钢包套可以为q195低碳钢包套，q215低碳钢包套，q235低碳钢包套，q255低碳钢包套，q275低碳钢包套中的任意一种，本领域技术人员可以根据实际需要进行具体选择。
44.示例性地，在优选为q235低碳钢包套时，其与实验材料(ti箔和al箔)的热膨胀系数差异较小，在冷轧过程中变形抗力小，其包套的变形抗力与实验材料也相差较小，室温轧制最终成形的板材平直光滑，未见明显裂纹缺陷，也未见材料大量挤出现象。
45.仍需要说明的是，包套的焊接工艺对最终板形也有很大影响，在本实施方式中，优选四边焊接工艺，四个焊接边在道次中间热处理过程中不会进入空气，避免出现氧化现象，使得包套内部ti箔和al箔的轧制结合性良好。
46.s130、对焊接后的包套进行扩散处理。
47.具体地，包套轧前预处理的温度为300℃～650℃，保温时间为10min-120min，保温结束后空冷。
48.在本实施方式中，通过轧制前扩散处理，可以使得各层ti箔和al箔之间的流动性下降以获得更加平直的界面，另外，随着扩散温度的升高，包括扩散金属间化合物的扩散层的厚度在结合界面处逐渐增加，导致氧化物被抑制并且结合强度提高。
49.s140、将轧前扩散处理后的包套在室温下轧制。
50.具体地，将轧前预处理的包套材料冷却到室温后开始轧制，在每道次间进行热处理，即回炉保温处理，直至轧制到预设变形量；其中，轧制道次压下量控制在20～30％，室温轧制总道次为4-7；轧制总变形量为60％-90％，堆叠的箔材由原始层层分离态转变为层与层之间结合良好的层状板材，每层的厚度为0.006mm-0.08mm。
51.进一步地，为了避免道次间加工硬化严重，对包套进行道次间热处理。其中，热处理的温度为300℃～650℃，保温时间控制在包套完全受热均匀为准，例如，保温时间优选为10min-120min。并且，中间热处理回炉保温后的冷却方式为空冷。
52.s160、去除包套，取出ti/al层状板。
53.具体地，包套的去除采用机加工方式，将内部的ti/al层状板取出，去除包套后的板材表面质量良好，板材表面平整光滑，板形良好，无裂纹。
54.进一步地，在本实施方式中，基于上述工艺，获得ti/al层状薄板的厚度范围为0.6～1.2mm，当然，该厚度是基于坯料的原始厚度以及变形量等其他工艺条件得到的，不同的坯料原始厚度以及不同的变形量，不同的工艺条件均会得到不同的厚度。
55.本发明的室温轧制工艺简单，采用的包套成本低，以进一步降低板材制备成本；其次，通过包套冷轧工艺可以促进板材协调变形，进一步优化ti/al层状板均匀的组织结构，以制备出ti箔和al箔结合良好的层状板，去除包套后板材表面平整光滑，板形良好，实现了ti箔和al箔在轧制变形量达90％时，依旧保持较为良好的协调变形，界面平直光滑，未见明显缺陷。相对于包套热轧工艺来说，本发明的冷轧工艺易于控制薄板尺寸精度，在轧制过程中，避免生成tial3相，使得ti、al界面的结合性较好，解决了ti/al合金板材难以制备的问题。
56.本发明另一方面，提出一种ti/al层状板，根据前文记载的方法制得，其中，ti/al层状板包括交替设置的多层ti箔与al箔，顶层为ti箔。
57.在本实施方式中，ti/al层状板具有平整光滑的表面，板形较好，薄板沿轧制方向长度较长，沿着板材轧制方向延伸均匀，未见明显的边裂、鼓包等缺陷。并且，本实施方式获得的ti/al层状板可以承受更大的荷载，以及具有更优的耐高温腐蚀性能。
58.下面将结合几个具体实施例进一步说明ti/al层状板的制备方法：
59.实施例1
60.本示例中ti/al层状板的制备方法，包括如下步骤：
61.s1、实验材料准备：用无水乙醇超声清洗原材料ti箔、al箔(单层厚度均为0.1mm)5-10min，之后裁剪成55mm
×
55mm的实验坯料，堆叠共41层，得到坯料的原始厚度4.1mm；
62.s2、包套处理：轧制包套的尺寸规格是根据坯料尺寸进行加工，包套由上下盖板和中间框组成，上下盖板厚度为2mm，中间框厚度为5mm，选取q235低碳钢包套，并对包套上下盖板进行表面处理，去除表面氧化皮，将ti箔和al箔共41层交替叠放后放入包套，并对包套进行焊接，焊接四边；
63.其中，在步骤s2中，ti箔和al箔交替堆叠的数量分别是21层和20层，最外层放置ti
箔。
64.s3、轧前扩散处理：包套轧前预处理温度为550℃，保温30min，保温结束后空冷；
65.s4、室温轧制：将轧前预处理的包套材料冷却到室温后开始轧制，轧制道次压下量控制在25～30％，室温轧制的总道次为4；
66.s5、中间热处理：避免道次间加工硬化严重，对包套进行中间热处理，温度为550℃，保温时间控制在以包套完全受热均匀为准，保温时间30-90min；
67.在步骤s5中，中间热处理回炉保温后冷却方式为空冷，首道次轧制后中间热处理时间为60min；后面随着板子轧薄，保温时间减少至30min。
68.s6、轧制总变形量均为75％，堆叠的箔材由原始层层分离态的4.1mm轧至1mm，层与层之间结合良好的层状板材；
69.s7、去除包套：包套的去除采用机加工方式，将内部的ti/al层状板取出。
70.如图3中的(a)和(b)所示，为本实施例1所得的ti/al层状板的显微组织图。结果表明，本实施例得到的ti/al层状板界面平直光滑，界面结合较好，板材表面质量良好，未见明显裂纹孔隙等缺陷，ti箔和al箔保持了协调变形，道次变形量均不超过30％，实现了变形量达75％的前提下仍保持ti/al层协调变形。且所得的ti箔和al箔单层厚度均一致，约为25μm。
71.需要说明的是，轧制过程中保持协调变形一直是难以攻克的，考虑ti箔和al箔物理与化学相容性，两相的化学性质和强度、韧性、热膨胀系数等物理性质之间的差别。针对此，采用本实施例的方法可以克服上述问题。
72.实施例2
73.在本示例的制备方法中，分别设置有三组坯料数据，并改变步骤s1中三组坯料的原始厚度为3.7mm，以及，改变步骤s6中三组堆叠箔材的轧制总变形量，分别为77％、80％和82％，其他步骤与实施例1相同。在此条件下，本实施例堆叠的箔材由原始层层分离态的3.7mm分别轧至0.85mm、0.67mm和0.65mm。
74.如图4所示，为实施例2所得到的三块薄板实物图，随着轧制变形量的增大，可见板材长度沿着轧制方向延伸增大，板材表面较为平整，板形良好，板材两端未见明显轧制缺陷。
75.对比例1
76.本对比例1与实施例2不同的是：步骤s2包套材料选用不锈钢包套，如304不锈钢包套，焊接三边，步骤s6轧制总变形量分别为80％、81％和82％，其他步骤与实施例2相同。在此条件下，本对比例1堆叠的箔材由原始层层分离态的3.7mm分别轧至0.69mm、0.65mm和0.63mm，在所得三块薄板中，ti箔和ai箔单层厚度分别约为18μm、17μm和17μm。
77.如图5所示，为对比例1采用不锈钢包套制备的薄板实物照片，可以看出对比例1采用不锈钢包套轧制的板材表面较不平整，因304不锈钢包套与实验坯料的热膨胀系数差异较大，加之在冷轧过程中不锈钢包套变形抗力大，因不锈钢包套的变形抗力远大于ti/al箔材的变形抗力，故轧制过程中因变形抗力差异，箔材被大量挤出，造成材料大量浪费，最终成形的薄板较短，而且沿着轧制方向延伸不均匀，靠近两端明显有起皱、鼓包和裂纹等缺陷，造成板形不平整。
78.本对比例1与上述实施例2相比较可知，实施例2采用低碳钢包套轧制的板材表面
平整，板形良好，且实验箔材的变形抗力与低碳钢包套较为接近，所以未造成材料大量挤出等浪费现象，薄板轧制方向长度较长，沿着板材轧制方向延伸均匀，未见明显的边裂、鼓包，翘曲等板形缺陷。
79.对比例2
80.本对比例2与实施例2不同的是，设置五组坯料数据，并改变步骤s1中五组坯料的原始厚度为4.1mm，以及，改变步骤s2中低碳钢包套焊接工艺，采用三边焊接工艺，低碳钢尺寸规格均不变，以及，还改变步骤s6轧制总变形量分别为85％、82％、80％、86％和86％，其他步骤与实施例2相同。在此条件下，本对比例堆叠的箔材由原始层层分离态的4.1mm分别轧至0.6mm、0.73mm、0.82mm、0.56mm和0.56mm，在所得五块薄板中，ti箔和ai箔单层厚度分别约为15μm、18μm、20μm、15μm和15μm。
81.本对比例2最终轧制成形的薄板板形较平直，但是未焊接处氧化严重，轧制过程中由于边裂等缺陷导致薄板两侧也有部分氧化，氧化导致层与层之间结合受到一定影响，厚度为0.73mm的薄板已出现分层现象。可见，包套焊接工艺对最终板形影响很大，由于本对比例对包套焊接了三边，未焊接边在道次中间热处理过程中因空气进入而氧化严重，导致包套内部ti箔和al箔的性能很大程度上被恶化，从而影响ti箔和al箔的轧制结合。
82.实施例3
83.本实施例3与对比例2不同的是，设置四组坯料数据，并改变步骤s1中坯料的原始厚度为5.9mm，ti箔和al箔交替堆叠的数量分别是30层和29层；以及，改变步骤s2的低碳钢包套焊接工艺，采用焊接四边，并对低碳钢包套尺寸规格进行了调整，将上下盖板厚度由实施例1的2mm增加至3.5mm，中间框由5mm增厚至7mm，以及，还改变所属步骤s6轧制总变形量分别为82％、86％、87％和86％，其他过程与对比例2相同。在此条件下，本实施例堆叠的箔材由原始层层分离态的5.9mm分别轧至1.06mm、0.83mm、0.76mm和0.80mm，在所得四块薄板中，ti箔和ai箔单层厚度分别为约为18μm、15μm、13μm和14μm。
84.如图6和图7所示，图6为实施例3的最终轧制成形的薄板实物图，图7为实施例3制得薄板的显微组织图，可见，成形的板材板形平直，表面质量良好，未见明显氧化，且薄板层与层之间结合良好，沿着轧制方向厚度较为均匀，没有翘曲、鼓包和边裂等轧制缺陷。
85.本发明提出一种包套叠轧法制备ti/al层状板及其ti/al层状板，具有以下有益效果：
86.第一、本发明采用的包套叠轧法工艺是在室温下轧制，易于控制薄板尺寸，且制备ti/al层状薄板板形优良，界面结合与表面质量良好；
87.第二、本发明选用低碳钢包套叠轧法制备ti/al层状板，可以有效协调轧制变形和降低变形应力，消除板材的边裂和裂纹等缺陷，提高生产效率并降低板材成本，即制备一定变形量下协调变形的ti/al层状板，获得厚度规格为0.6～1.2mm的高质量ti/al层状薄板；
88.第三、本发明采用的包套成本低，室温轧制工艺简单，板材制备成本明显降低；
89.第四、本发明实现了ti箔和al箔在轧制变形量达90％依旧保持较为良好的协调变形，界面平直光滑，未见明显缺陷。
90.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种包套叠轧制备ti/al层状板的方法，其特征在于，所述方法包括：将ti箔和al箔切割为坯料，并对坯料表面预处理；对包套表面处理，将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中，并对包套焊接处理；对焊接后的包套进行扩散处理；将扩散处理后的包套在室温下轧制；去除包套，取出ti/al层状板。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包套采用低碳钢包套。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低碳钢包套为q195低碳钢包套，q215低碳钢包套，q235低碳钢包套，q255低碳钢包套，q275低碳钢包套中的任意一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，扩散处理的温度范围为300℃-650℃，保温时间范围为10min-120min。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将扩散处理后的包套在室温下轧制，包括：在室温下对包套进行每道次轧制，并在每道次间热处理，直至轧制到预设变形量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，轧制道次压下量为20～30％，轧制总道次为4～7，所述预设变形量为60％～90％。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度范围为300～650℃，时间范围为10-120min。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包套焊接处理采用四边焊接工艺。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将处理后的多层ti箔和多层al箔交替叠放在表面处理后的包套中时，最顶层放置的是ti箔。10.一种ti/al层状板，其特征在于，根据权利要求1至9任一项所述的方法制得。

技术总结
本发明提出一种包套叠轧制备Ti/Al层状板的方法及Ti/Al层状板，属于金属材料加工技术领域。本发明的方法包括：将Ti箔和Al箔切割为坯料，并对坯料表面预处理；对包套表面处理，将处理后的多层Ti箔和多层Al箔交替叠放在表面处理后的包套中，并对包套焊接处理；对焊接后的包套进行扩散处理；将扩散处理后的包套在室温下轧制；去除包套，取出Ti/Al层状板。本发明通过包套冷轧可以制备出Ti箔和Al箔结合良好的层状板，去除包套后板材表面平整光滑，板形良好，实现了Ti箔和Al箔在轧制变形量达90％时，依旧保持较为良好的协调变形，界面平直光滑，未见明显缺陷。未见明显缺陷。未见明显缺陷。


技术研发人员：梁永锋 廖兰兰 桂万元 林均品
受保护的技术使用者：江苏浩景智能制造科技有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/7