【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料和爆炸焊接综合制造，具体涉及大面积ti-w-al-w-ti纤维增强层状复合板及爆炸焊接方法中的工艺和参数问题。
技术介绍
1、铝合金是较为常见的耐腐蚀性强、比强度高的轻金属，在各行业有着极高的应用占比，尤其在军事工业中应用最为广泛，然铝合金所表现的强度远不能满足军事领域机动设备的装甲需求，为扬避其利害，工程及军事防护应用中常将其与强度与比强度更高、综合性能更优的钛合金制备成层状复合材料，以满足强度、重量、腐蚀性等应用需求。在制备大面积钛铝层状复合板时，常选择操作过程简单、工艺参数较少、成本和设备需求较低及利益和生产效率较高的爆炸焊接工艺。
2、用于装甲防护的钛铝复合板在强度上尚不能满足冲击及侵彻要求。在提升层状复合板强度的研究中，研究者在金属板的层间添加更高强度的增强纤维，以进一步提升复合板抗冲击及抗侵彻的能力，然制备方法多选择扩散焊、激光焊、磁脉冲焊和热轧焊等焊接方法，较少采用爆炸焊接方法，究其原因可归纳为如下：1)炸药在爆炸过程中，巨大的冲击能量易损坏硬脆的增强纤维；2)增强纤维会严重降低基复板的结合率及成功率；3)增强纤维与基复板界面结合质量较差，界面常存在金属间化合物、裂缝、空隙及孔隙；4)爆炸焊接易使复合板产生宏观弯曲，中间层的增强纤维加剧了复合板的耦合应力，后续校平较难且易损坏纤维与金属板的结合界面。
3、通过炸药能量爆炸焊接金属纤维增强层状金属复合板仅有少量的研究。周楠在其博士论文中(爆炸复合功能梯度靶抗侵彻性能与破坏机理研究，2014年)，详细研究了增强纤维复合板的毁
4、综合上述，爆炸焊接制备纤维增强金属复合板存在诸多的技术难题，本专利技术工艺及专利技术纤维结构、铺层样式，可解决工程中大面积ti-w-al-w-ti纤维增强层状复合板不能成功复合及复合后内应力极度不均引起翘曲等问题，又可一定程度减少界面金属间化合物、裂缝、空隙及孔隙的生成，使增强的复合板质量满足工程应用。
技术实现思路
1、本专利技术包含两个方面，其一为增强纤维结构及对称铺层样式的设计，从根本上和原理上解决宏观大变形、内应力集中与耦合的问题；其二为针对大面积、物化性质迥异金属(基板、复板、金属增强纤维)的爆炸复合工艺，从制造工艺上尽量解决工程生产中焊合率低、界面结合缺陷的问题。
2、一、减应力增强纤维结构及铺层样式的设计
3、纤维增强层状复合板由于纤维结构及铺层样式的不合理，特别是采用爆炸焊接这种高温、高压、高速的制备方法，使得复合板内部存在极不均匀的内应力，导致复合板产生翘曲，特别是大面积复合板会产生极为严重的翘曲变形，通过后续热处理、冷压及拉伸等工艺不仅无法消除复合板的翘曲，反而会损伤增强纤维的表面，降低增强纤维的强度，改变增强纤维的力学性能，破坏增强纤维与基复板的结合界面。翘曲、后续校平困难的问题，是爆炸焊接方法实现工程制备大面积ti-w-al-w-ti纤维增强层状复合板亟需解决的瓶颈。
4、规则对称正交铺设层合板是非金属材料中常用的一种层合结构，其优点可描述如下：1)强度均匀性好，其由多层纤维交替铺设而成，每层铺设方向和厚度均相同，因此，复合板的强度和刚度分布均匀，不易产生局部应力集中和应力耦合的问题，可提升复合板的强度与耐久性，又可降低复合板的扭曲变形；2)拉伸、压缩及弯曲性能良好，可在多个方向上都有较好的拉伸、压缩及弯曲性能，可承受多向载荷；3)实现各向同性，使复合板在不同方向上具有相同的物理性质，可避免线性热膨胀系数差别较大异种金属的收缩率在各方向上保持平衡。规则对称正交铺设的层合板如说明书附图3所示：
5、每层板的刚度矩阵可表示为，
6、
7、复合板面内刚度系数aij，耦合刚度矩阵bij，弯曲刚度矩阵dij可分别表示为，
8、
9、其中zk、zk-1分别表示第k层的下表面坐标和上表面坐标。由于所铺纤维为基板中心面对称，根据定义式可得，a16＝a26＝0，bij＝0，d16＝d26＝0。对于与x方向一致的k层，其刚度系数可表示为
10、
11、对于与y方向一致的m层，其刚度系数可表示为
12、
13、式中，e1、e2、v12、v21分别为各向同性面内的弹性模量和泊松比。故，对称正交铺设层合板的内力-应变关系可表示为
14、
15、式中，n、m、ε、γ、κ分别表示为轴力、弯矩、线应变、剪应变、曲率。
16、根据上述规则对称正交铺设的层合板应力-应变公式可知，采用爆炸焊接方法制备该类复合板时，增强纤维结构及铺层样式应在理论上避免因增强纤维产生的内应力集中及耦合问题。本专利技术专利以复合板应力-应变的理论关系为依据，通过设计纤维结构和铺层样式降低由增强纤维引起的耦合效应，针对不同形状复合板提出十字交叉式和同心圆环式增强纤维结构，两种纤维结构分别针对大面积长方形复合板和大面积圆形复合板。1)十字交叉式铺层，是在上下复板与基板的间隙内铺设十字交叉且对称的增强纤维，上复板、增强纤维与下复板、增强纤维关于基板中心平面对称，整体复合板关于xz平面及yz平面对称，纤维中的单元网格为正方形且网格单边尺寸≥3mm，纤维直径小于复板厚度的一半，最大直径不超过3mm。2)同心圆环式铺层，每层的圆型增强纤维在同一圆心、半径差值≤10mm，上下两层的圆圈状增强纤维分别关于基板中心面对称，整体复合板关于xz平面及yz平面对称，纤维直径小于复板厚度的一半，最大直径不超过3mm。纤维结构及铺层样式的合理设计，可很大程度降低复合板翘曲变形。此外，为准确控制纤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.大面积Ti-W-Al-W-Ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于，所述层状复合板由上Ti复板、Al基板、下Ti复板及层间增强纤维组成，通过设计减内应力的铺层结构和新的爆炸焊接方法，将不同高强度、不同规格的钨纤维用于增强多层大面积层状复合板，其具体实施步骤如下：
2.如权利要求1所述，大面积Ti-W-Al-W-Ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于，所述Al板为5系铝合金，长度及宽度范围为1000～5000mm，厚度范围为1～20mm；所述钛板为1-18系列，长度及宽度范围为1000～5000mm，厚度范围为0.5～5mm，基复板厚度比例满足：1∶1～1∶10，所述增强钨丝直径范围为Φ0.02～Φ0.5mm，丝径小于复板厚度的一半，钨丝中钨的含量大于98.5％；基复板待接触界面粗糙度总高值≤100um，小于结合区域的微波波幅，基板和复板个体平面度公差≤8×(1+d/1000)um(d为对角线长度)。
3.如权利要求1所述，大面积Ti-W-Al-W-Ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于铺层结构：>
4.如权利要求1所述，大面积Ti-W-Al-W-Ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于：
5.如权利要求1所述，大面积Ti-W-Al-W-Ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于缓冲层的使用，砧板上表面缓冲层选择厚度为3～5mm且尽量平整，缓冲橡胶粘接于下复板的下表面，既起到缓冲作用，又可避免缓冲层中空气及缓冲层与砧板界面之间的空气在排气过程中损坏基复板；Ti复板与炸药之间的缓冲层选择厚度为2mm且尺寸稍大于基复板的平整水膜，可有效降低炸药对上基复板的灼伤及提升结合界面的焊接质量；基复板间的间隙为3～5mm；对其周向密封，并抽真空，控制真空度≤8×10-3torr，密封材料为聚氯乙烯真空密封膜。
...【技术特征摘要】
1.大面积ti-w-al-w-ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于，所述层状复合板由上ti复板、al基板、下ti复板及层间增强纤维组成，通过设计减内应力的铺层结构和新的爆炸焊接方法，将不同高强度、不同规格的钨纤维用于增强多层大面积层状复合板，其具体实施步骤如下：
2.如权利要求1所述，大面积ti-w-al-w-ti纤维增强层状复合板及真空界面爆炸焊接方法，其特征在于，所述al板为5系铝合金，长度及宽度范围为1000～5000mm，厚度范围为1～20mm；所述钛板为1-18系列，长度及宽度范围为1000～5000mm，厚度范围为0.5～5mm，基复板厚度比例满足：1∶1～1∶10，所述增强钨丝直径范围为φ0.02～φ0.5mm，丝径小于复板厚度的一半，钨丝中钨的含量大于98.5％；基复板待接触界面粗糙度总高值≤100um，小于结合区域的微波波幅，基板和复板个体平面度公差≤8×(1+d/...
【专利技术属性】
技术研发人员：史长根，蔡永根，杨小强，王海涛，张锐，罗绪川，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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