一种基于真空热压工艺快速制备梯度钛板的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于真空热压工艺快速制备梯度钛板的方法，属于有色金属塑性成形领域。本发明专利技术要解决现有技术存在的工艺流程复杂，制备梯度层较薄的问题。本发明专利技术将增材制造的原理与机械加工原理相结合，在宏观状态下构筑材料单元并通过自组装过程实现宏观大尺度梯度层状钛板。本发明专利技术方法通过真空热压对多种厚度的钛箔进行机械结合，使钛板表面层到心部形成晶粒梯度，采用箔

【技术实现步骤摘要】
一种基于真空热压工艺快速制备梯度钛板的方法


[0001]本专利技术属于有色金属塑性成形领域，具体涉及一种基于真空热压工艺快速制备梯度钛板的方法。

技术介绍

[0002]钛具有很多优异的综合性能：钛合金具有密度低、熔点高(钛的熔点为1668℃，比铁、镍稍高，比铝、镁的熔点高1000℃以上)、比强度高(而强度与普通结构钢相当或更高，在金属结构材料中，钛的比强度是最高的)、耐蚀性能好(钛在氧化性气氛中极易在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜，对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性)、疲劳强度高等优点，享有“战略金属”、“太空金属”、“海洋金属”及“生物金属”等美誉。近年钛及钛合金技术被广泛应用在石油能源工业、冶金工业、船舶工业、汽车工业、航空航天及食品、医疗设备等工程中，还可用在火箭、人造卫星、导电、坦克等高端军用设备上，进而提高设备使用性能。我国民用、军用钛及钛合金的需求量不断增加。
[0003]现有的梯度结构材料制备方法：表面机械研磨处理(SMAT)，采用弹丸撞击材料表面，表层材料的塑性变形区域由于碰撞而不断地产生位错的相互作用与交叠，进而使得大尺寸晶粒不断被切割形成亚晶，最终在材料表层形成厚达几百微米的纳米晶梯度层。表面机械碾压处理技术(SMGT)，利用碾压头作用于旋转的棒状试样之上，不断使碾压头进行往复运动，最终使得材料表层区域获得较大切向应变并逐渐过渡至芯部材料的较小切向应变。此法的优势在于更适用于棒状试样的表层纳米晶化处理。表面辊压技术(SMRT)，室温环境下将抛光处理后的金属陶瓷滚动磨球压入以一定转速旋转的圆柱形试件表面，同时使其以一定速度沿着试样轴线方向滑动，圆柱试样表层材料在高应变和高应变率的环境下产生塑性变形，从而逐步实现晶粒细化并产生沿径向深度变化的梯度微结构。
[0004]上述三项技术的共性在于都是利用机械加工手段使材料表层区域产生塑性变形进而将原有晶粒组织细化为更小尺寸的晶粒。但表层机械处理法也有明显的缺点，由于只是作用于材料的表面，极大地限制了此类方法处理得到的具有梯度结构材料的尺寸，上述三种方法只能产生约几百微米厚的梯度结构层。此外，由于整个表面机械处理过程需要激发材料本身的塑性变形，所以此类方法仅适用于具备较好塑性性能的金属材料。
[0005]材料的预变形法主要指通过对孪晶诱导塑性钢施加预扭转变形，使得棒状材料产生沿径向方向的孪晶密度梯度，该方法充分利用棒状试件径向扭转变形的不均匀性，使得材料表层具备较高的孪晶密度，而材料芯部则为较低的的孪晶密度。此法有效地解决了表面机械加工法对于梯度材料制备尺寸的限制，为快速生产大体量的梯度结构材料提供了一种新的策略。上述方法更适用于一些容易诱导产生孪晶结构的金属材料。
[0006]遵循堆叠原则的构筑方法更为底层，其充分考虑材料本身的化学特性，以原子或分子作为构筑单元，通过其自组装过程，进而实现复杂晶体结构的构筑。这种构筑法主要指电化学沉积、多靶共溅、3D打印技术、粉末冶金等。上述方法为梯度结构材料的生产与制备提供了新思路与新方法，但由于其构筑方式着眼于更基础层面的材料构筑，使得构筑过程
中的不确定性大大增加。
[0007]电沉积法，通过对电沉积过程的各项参数进行控制(如溶液成分、电流强度、液面体环境酸碱值及试验温度等条件)，可诱导产生具备梯度分布的材料结构。但由于此法需考虑的因素众多且控制过程具有不确定性，使得制备出的材料往往伴随着较多的内部缺陷，较难得到性能稳定的材料。
[0008]多靶共溅技术，通过对溅射过程中多个关键参数实施精确控制，能够制造出同时考虑成分梯度与结构梯度的金属材料。多靶共溅技术工艺简单，过程条件具备较强的可控性，且制造出的样品品质均匀，但是该技术也具有一定的局限性:生产工艺的效率不高，工艺特点决定它只适用于制造一些表面覆盖型的梯度结构，无法制造体量较大的梯度结构材料。
[0009]3D打印技术与粉末冶金法目前由于无法突破工艺上的瓶颈与限制，在制造过程中容易引入较多工艺缺陷，从而限制了其应用范围。

技术实现思路

[0010]本专利技术要解决现有技术存在的工艺流程复杂，制备梯度层较薄的问题，本专利技术提供一种更为简单的工艺来制造出梯度板材。
[0011]本专利技术将增材制造的原理与机械加工原理相结合，在宏观状态下构筑材料单元并通过自组装过程实现宏观大尺度梯度层。本专利技术的方法通过真空热压对多种厚度的钛箔进行机械结合，使钛板表面层到心部形成晶粒梯度，具体是按下述步骤进行的：
[0012]步骤1、将不同厚度的钛箔进行酸洗处理以去除表面的氧化皮，吹干备用；
[0013]步骤2、将酸洗后的钛箔按梯度结构的设计按照厚度由薄到厚再到薄进行叠层；
[0014]步骤3、将步骤2得到的叠层固定，得到预制件；
[0015]步骤4、将步骤3得到的预制件装入石墨模具中，然后真空热压，得到梯度钛板。
[0016]进一步地限定，步骤1的钛箔质量纯度为99.95％
[0017]进一步地限定，步骤1的钛箔为三种及三种以上厚度的钛箔，钛箔的厚度控制在10μm～100μm。
[0018]进一步地限定，步骤1中酸洗是按下述操作进行的：先用10vol％的HF溶液对钛箔表面进行清洗，然后用酒精超声清洗2～5min。
[0019]进一步地限定，步骤2中不同厚度钛箔的堆叠的层数不同，同时不同厚度的钛箔堆叠的厚度相同。
[0020]进一步地限定，步骤3中使用钢丝绳固定叠层，保证所有箔材的截面是相同的。
[0021]进一步地限定步骤4中真空热压条件：温度为700℃～900℃，保温时间为2h～3h，真空度低于1
×
10
‑3Pa，施加40MPa～50MPa压力。
[0022]本专利技术中叠层后总厚度不超过2mm。
[0023]本专利技术采用箔
‑
箔冶金法制备梯度钛板，利用箔材良好的室温变形和成型性特征，能够近成型板材及其他形状复杂的结构件，避免了后续对板材的成型加工；
[0024]本专利技术通过热压温度和工艺加工方法的控制，得到具有很高的强度梯度钛板。
[0025]本专利技术的结构是梯度层状结构，灵感来源于珍珠母、贝壳等生物，这些生物的外壳结构是梯度层状结构，这种结构能让生物外壳既有一定的韧性，又有较好的强度。
附图说明
[0026]图1为梯度钛板的截面结构示意图；
[0027]图2为实施例1成品的微观晶粒图；
[0028]图3为实施例2成品的微观晶粒图；
[0029]图4为实施例1和2成品的拉伸曲线图。
具体实施方式
[0030]实施例1：本实施例中梯度钛板的制备方法，具体包括以下步骤：
[0031]步骤1，先准备厚度分别为10μm、20μm、50μm、100μm的钛箔，然后使用酒精对钛箔超声清洗5min～10min，然后利用10vol％HF溶液对Ti箔表面进行清洗，去除表面氧化皮，最后用酒精超声清洗2～5min后，吹干后放入无尘箱中备用；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于真空热压工艺快速制备梯度钛板的方法，其特征在于，所述方法是按下述步骤进行的：步骤1、将不同厚度的钛箔进行酸洗处理以去除表面的氧化皮，吹干备用；步骤2、将酸洗后的钛箔按梯度结构的设计按照厚度由薄到厚再到薄进行叠层；步骤3、将步骤2得到的叠层固定，得到预制件；步骤4、将步骤3得到的预制件装入石墨模具中，然后真空热压，得到梯度钛板。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤一的钛箔质量纯度为99.95％。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤一的钛箔为三种及三种以上厚度的钛箔，钛箔的厚度控制在10μm～100μm。4.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于步骤一酸洗是按下述操作进行的：先用10vol％的HF溶液对钛箔表面进行清洗，然后用酒精超声清洗2～5min。5.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：房文斌，姜雪晴，李学问，吴昊，范国华，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：