原位自生钛基复合材料复合叠层构件及其制备方法与用途技术

本发明专利技术公开了一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，涉及金属基复合材料领域。包括如下步骤：A、线切割加工得到钛合金基材和钛基复合材料板材试样；B、对板材试样进行表面处理；C、贴紧至少一层钛合金基材和至少一层钛基复合材料板材试样得到复合板材构件，将复合板材构件表面涂BN溶液放入压力模具中固定；D、对复合板材构件温度850‑950℃，压力5‑15MPa，保温0.5‑1.5h，制备得到无界面空洞缺陷的钛基复合材料双层板或多层板构件。本发明专利技术复合构件界面剪切强度640‑670MPa，兼具良好的强塑性，为高强韧钛基复合材料复合构件的加工提供了新解决途径，对超高强多层复合构件的制备具有深远战略意义。

【技术实现步骤摘要】
原位自生钛基复合材料复合叠层构件及其制备方法与用途
本专利技术涉及金属基复合材料领域，尤其涉及一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件及其制备方法，具体涉及一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的压力扩散连接制备方法。
技术介绍
在过去三十几年中，钛基复合材料的应用逐渐广泛，已从军事国防领域向民用领域过渡，如今已在航空航天、兵器、民航和工业等诸多领域实现应用。相比于长纤维增强钛基复合材料，颗粒和晶须增强钛基复合材料虽然在单项性能方面自叹弗如，但是却也赋予了更好的可加工性，这恰恰是该材料实现应用的重要前提。目前，已有众多研究机构开展钛基复合材料制备与加工的研究，解决了复合材料制备与加工的一些有挑战性的难题。但是，钛基复合材料的未来发展仍然面临很大的不确定性，随着高科技的迅速发展，迫切需要钛基复合材料满足高性能化和多功能化的挑战，因此，新一代的钛基复合材料必然朝着“结构复杂化”的方向发展，改变传统增强体均匀分布的有序设计，从宏观尺度设计增强体的非均匀分布，进一步发掘该材料的性能潜力、实现性能的最优配置。公告号为CN106853530B的中国专利技术专利公开了一种铺粉-热压烧结制备层状钛基复合材料的方法。本专利技术涉及一种铺粉-热压烧结制备层状钛基复合材料的方法。本专利技术目的是为了解决层状钛基复合材料界面结合强度低、层厚以及各层成分不易控制、材料制备过程复杂的问题。方法：以混粉-铺粉-热压烧结的方式，将钛合金粉末与增强体均匀混合后手动铺粉，省去制备块体材料的过程，不需要预先制备各层材料而是通过直接热压烧结制备钛基层状复合材料。通过调节增强体含量以及铺粉参数，实现成分可控、层厚可调的层状材料制备。本专利技术用于制备层状钛基复合材料。但是该方法更复杂，成本更高，还无法实现现有的板材之间的连接，并且其多层材料的厚度都在毫米级以下，在航空航天领域的应用前景较小。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，充分发挥了多种材料独有的优秀效能，解决了钛基复合材料压力扩散连接存在的相关技术难题，满足了高强钛基复合材料与高韧性钛合金的连接需求，极大地拓宽了高强高模量钛基复合材料的应用范围。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，包括如下步骤：A、线切割加工得到钛合金基材和钛基复合材料板材试样；B、对板材试样进行表面处理；C、贴紧至少一层钛合金基材和至少一层钛基复合材料板材试样得到复合板材构件，将复合板材构件放入压力模具中，在与压力模具接触的复合板材构件表面涂BN溶液，防止连接过程中试样与模具粘连，并将复合板材构件固定于压力模具中，置于真空热压炉中预压紧；D、对复合板材构件真空高温压制，制备得到无界面空洞缺陷的钛基复合材料双层板或多层板构件。优选的，步骤A中所述钛合金基材包括Ti6Al4V、纯钛中的一种或多种；所述钛基复合材料板材试样为原位自生颗粒增强体增强的钛基复合材料，所述原位自生颗粒增强体包括TiB、TiC、RexOy、Ti5Si3中的一种或多种，所述原位自生颗粒增强体的体积百分含量在3％-10％之间，增强体含量过低的话增强效果不是很明显，过高的话材料的韧塑性达不到平衡。优选的，所述原位自生颗粒增强体为TiB、TiC、RexOy；所述TiB、TiC、RexOy的体积比为TiB:TiC:RexOy＝(2-5):(2-5):1，其中TiB与TiC的体积比为TiB:TiC＝1:1，优选的所述TiB、TiC、RexOy的体积比为TiB:TiC:RexOy＝3:3:1。优选的，所述钛合金基材和钛基复合材料板材试样尺寸大小相同、厚度均匀一致，所述钛合金基材和钛基复合材料板材试样尺寸50mm×50mm×4mm。优选的，所述步骤B具体包括如下步骤：a、机械抛光，所述机械抛光包括依次用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级磨光，或先用磨床处理到一定的光滑度然后再用2000#金相砂纸磨光得到抛光后板材；b、化学清洗，所述化学清理包括将机械抛光后板材放入丙酮溶液中用超声波清洗10-15min。优选的，所述步骤C中将复合板材构件固定于压力模具中具体包括：采用点焊法将钛合金基材和钛基复合材料板材之间四角焊接固定，利于得到更佳的连接效果。优选的，步骤D中所述真空，真空度小于或等于10-3Pa，真空度越低越好的，避免真空度过高，空气中氧气氧化试样。优选的，步骤D中所述高温的温度为850-950℃，温度过低压不紧，温度过高，材料在高压力作用下也容易变形，而且成本方面不是很划算，加热速率为10-15℃/min。优选的，步骤D中所述压制的压力为5-15MPa，时间为0.5-1.5h，时间过短，扩散不够充分也就难压紧，时间过长，材料内部微观组织结构会发生变化，明显降低材料的力学性能。优选的，所述步骤D具体包括：对复合板材构件温度900℃，压力10MPa，真空高温压制1h，制备得到无界面空洞缺陷的钛基复合材料双层板或多层板构件。一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件，由所述的原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法制备得到，包括至少一层钛合金基材和至少一层钛基复合材料板材试样；所述钛合金基材包括Ti6Al4V、纯钛中的一种或多种；所述钛基复合材料板材试样为原位自生颗粒增强体增强的钛基复合材料，所述原位自生颗粒增强体包括TiB、TiC、RexOy、Ti5Si3中的一种或多种，所述原位自生颗粒增强体的体积百分含量在3％-10％之间一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的用途，其特征在于，应用于航空航天领域，实现材料内外部不一样的力学性能，来满足航空航天领域一些特殊环境下的需要，例如某些高速飞行器的翼类构件，服役过程中上下面板与大气层摩擦，温度较高，且成形过程中变形量较小，以钛基复合材料制备；而中间芯板温度较低，且成形过程中变形量较大，以高温钛合金制备。综上所述，与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)通过在真空环境下压力连接高强钛基复合材料和高韧性钛合金可以很大程度上减轻合金在高温状态下受到的氧化作用，保证了扩散连接实验的顺利进行，并获得良好的连接效果；(2)本专利技术中所提到的钛基复合材料，适用于含有TiB的各类单元增强钛基复合材料，以及含有TiB增强体与其它增强体混杂增强的钛基复合材料，如TiB+TiC、TiB+SiC、TiB+La2O3及其他TiB+ReXOy等混杂增强系列；(3)本专利技术所提到的钛合金基体包括Ti-6Al-4V和IMI834等，适用范围广；(4)本专利技术得到的连接件界面随着工艺的改善孔洞缺陷不断减少减小，界面完美结合，达到冶金结合的效果；从宏观力学性能来看，其界面剪切强度也和基材界面强度相当，部分连接试样界面剪切强度甚至超过了钛基复合材料基体的剪切强度；(5)本专利技术得到的复合构件强度和塑性兼具，实际应用当中不但能够节省成本提高效率，而且可以充分发挥各材料的优秀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：/nA、线切割加工得到钛合金基材和钛基复合材料板材试样；/nB、对板材试样进行表面处理；/nC、贴紧至少一层钛合金基材和至少一层钛基复合材料板材试样得到复合板材构件，将复合板材构件放入压力模具中，在与压力模具接触的复合板材构件表面涂BN溶液，并将复合板材构件固定于压力模具中，置于真空热压炉中预压紧；/nD、对复合板材构件真空高温压制，制备得到无界面空洞缺陷的钛基复合材料复合叠层构件。/n

【技术特征摘要】
1.一种原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、线切割加工得到钛合金基材和钛基复合材料板材试样；
B、对板材试样进行表面处理；
C、贴紧至少一层钛合金基材和至少一层钛基复合材料板材试样得到复合板材构件，将复合板材构件放入压力模具中，在与压力模具接触的复合板材构件表面涂BN溶液，并将复合板材构件固定于压力模具中，置于真空热压炉中预压紧；
D、对复合板材构件真空高温压制，制备得到无界面空洞缺陷的钛基复合材料复合叠层构件。


2.根据权利要求1所述的原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，其特征在于，步骤A中所述钛合金基材包括Ti6Al4V、纯钛中的一种或多种；
所述钛基复合材料板材试样为原位自生颗粒增强体增强的钛基复合材料，所述原位自生颗粒增强体包括TiB、TiC、RexOy、Ti5Si3中的一种或多种，所述原位自生颗粒增强体的体积百分含量在3％-10％之间。


3.根据权利要求2所述的原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，其特征在于，所述原位自生颗粒增强体为TiB、TiC、RexOy；所述TiB、TiC、RexOy的体积比为TiB:TiC:RexOy＝(2-5):(2-5):1，其中TiB与TiC的体积比为TiB:TiC＝1:1。


4.根据权利要求1所述的原位自生钛基复合材料复合叠层构件的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体包括如下步骤：
a、机械抛光，所述机械抛光包括依次用200#、400#、600#、800#、1000#、2000#金相砂纸逐级磨光，或先用磨床处理到一定的光滑度然后再用2000#金相砂纸磨光得到抛光后板材；
b、化学清洗，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩远飞，谌聪，吕维洁，吴华舵，黄光法，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31