权利要求
2.根据权利要求1所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，采用TA1钛板和6061铝板作为原材料。
3.根据权利要求2所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、基材准备：选取TA1钛板和6061铝板作为原始叠层材料，两种板材尺寸保持一致;
S2、退火处理：将TA1钛板和6061铝板分别放入热处理炉中进行退火处理以匹配两种基材的流动应力;TA1钛板退火温度为480～560℃、保温40～90min后空冷;6061铝板退火温度为260～340℃、保温20～60min后空冷;
S3、表面处理：对退火处理后的TA1钛板和6061铝板进行酸洗处理以去除表面氧化层，TA1钛板酸洗液为HF与HNO3的混酸体系，6061铝板酸洗液为HF、HNO3与H3PO4的混酸体系;酸洗后进行清洗并干燥，随后采用砂纸对待复合表面进行定向砂磨活化以增加表面粗糙度，再校平后进行清洗并干燥;
S4、叠层组装：将干燥后的TA1钛板和6061铝板交替方式叠放形成叠层坯，直至叠层总厚度达到目标值;在叠层坯至少两侧采用金属丝材缠绕固定以限位防滑，防止轧制过程中因塑性变形不均导致层间相对滑移而影响结合;
S5、加热保温：将固定好的叠层坯置于加热炉中，在设定温度560～650℃下保温40～90min，以使叠层坯整体温度均匀并有利于界面结合与扩散;
S6、热轧复合：轧机预热温度为450～550℃，将保温结束的叠层坯迅速取出并送入轧机中，在设定的轧制压下量(40%～60%)与轧制方向下进行单道次热轧复合，使叠层坯厚度减薄;轧制完成后空冷至室温，得到TA1/6061钛铝层状复合材料。
4.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中TA1钛板退火参数为520℃、保温60min;6061铝板退火参数为300℃、保温40min。
5.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中每1000ml TA1钛板酸洗液包括60ml HF(>40%工业级)、180ml HNO3和760ml H2O;每1000ml 6061铝板酸洗液包括30ml HF(>40%工业级)、60ml HNO3、120ml H3PO4和790ml H2O。
6.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中定向砂磨是指砂磨方向垂直于后续轧制方向，砂纸粒度为#120～#240目。
7.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中TA1/6061交替叠放总厚度为3～6mm。
8.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中使用的金属丝材是直径为0.18mm的钼丝，缠绕时拉紧一端，沿着坯料缠绕4～6圈后扎紧。
9.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中设定温度为600℃，保温60min。
10.根据权利要求3所述的高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S6中的轧机预热温度为500℃，轧制压下量为50%，轧制方向以叠层坯长边进入轧辊的运动方向为准，通过单道次热轧复合，使叠层坯厚度由4mm减薄至2mm。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属复合材料制备方法领域，尤其涉及一种高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法。
背景技术
[0002]随着航空航天、轨道交通及新能源汽车等领域的快速发展，结构材料的轻量化已成为提升装备性能与降低能耗的关键技术途径。钛合金因具有高比强度与优异耐蚀性而备受关注，但其成本高昂且加工难度大;铝合金虽密度低、塑性好且成本低廉，却受限于强度与耐热性相对不足。钛/铝层状复合材料应运而生，旨在协同发挥钛层的高刚度、耐腐蚀与抗高温特性，以及铝层的减重降本优势，预期比强度优于单一铝合金，比刚度与成本优于单一钛合金，是理想的轻量化结构功能一体化候选材料。该类材料在飞机蒙皮、翼肋、舱门等航空航天承力件，车体骨架、转向架等轨道交通构件，以及电池包壳体、车身结构件等新能源汽车领域具有广阔应用前景，并在船舶制造、化工设备及运动器材等行业展现出重要潜力。
[0003]目前，钛铝复合材料的制备方法主要包括爆炸焊接、热轧复合、扩散焊接和累积叠轧等。然而，现有技术在实际应用中仍面临以下瓶颈：其一，钛与铝的晶体结构差异显著，导致轧制过程中易产生边裂、波浪形缺陷及界面结合不良等问题，使得复合材料难以实现强度与塑性的良好匹配;其二，文献报道的钛铝层状复合材料抗拉强度普遍低于400 MPa，或断后伸长率低于15%，强塑性综合性能难以满足承力结构件的使用要求。因此，开发一种工艺简单且能够获得优异综合力学性能的钛铝层状复合材料制备方法，对于推动其工程化应用具有重要意义。
发明内容
[0004]针对背景技术中存在的问题，提出一种高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，通过对TA1与6061分别退火、酸洗去膜、沿垂直轧制方向定向砂磨、采用两侧丝材缠绕定位叠层、热轧复合，从而在保证TA1和6061界面稳定结合的同时实现强度与塑性的协同提升。
[0005]本发明提出一种高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，包括以钛板和铝板为原材料，采用退火处理-表面处理-交替叠放组装且通过丝材缠绕叠层坯来限位防滑-加热保温-热轧复合的工艺路线。
[0006]优选的，采用TA1钛板和6061铝板作为原材料。
[0007]优选的，具体步骤如下：
S1、基材准备：选取TA1钛板和6061铝板作为原始叠层材料，两种板材尺寸保持一致;
S2、退火处理：将TA1钛板和6061铝板分别放入热处理炉中进行退火处理以匹配两种基材的流动应力;TA1钛板退火温度为480～560℃、保温40～90min后空冷;6061铝板退火温度为260～340℃、保温20～60min后空冷;
S3、表面处理：对退火处理后的TA1钛板和6061铝板进行酸洗处理以去除表面氧化层，TA1钛板酸洗液为HF与HNO3的混酸体系，6061铝板酸洗液为HF、HNO3与H3PO4的混酸体系;酸洗后进行清洗并干燥，随后采用砂纸对待复合表面进行定向砂磨活化以增加表面粗糙度，再校平后进行清洗并干燥;
S4、叠层组装：将干燥后的TA1钛板和6061铝板交替方式叠放形成叠层坯，直至叠层总厚度达到目标值;在叠层坯至少两侧采用金属丝材缠绕固定以限位防滑，防止轧制过程中因塑性变形不均导致层间相对滑移而影响结合;
S5、加热保温：将固定好的叠层坯置于加热炉中，在设定温度560～650℃下保温40～90min，以使叠层坯整体温度均匀并有利于界面结合与扩散;
S6、热轧复合：轧机预热温度为450～550℃，将保温结束的叠层坯迅速取出并送入轧机中，在设定的轧制压下量(40%～60%)与轧制方向下进行单道次热轧复合，使叠层坯厚度减薄;轧制完成后空冷至室温，得到TA1/6061钛铝层状复合材料。
[0008]优选的，步骤S2中TA1钛板退火参数为520℃、保温60min;6061铝板退火参数为300℃、保温40min。
[0009]优选的，步骤S3中每1000ml TA1钛板酸洗液包括60ml HF(>40%工业级)、180mlHNO3和760ml H2O;每1000ml 6061铝板酸洗液包括30ml HF(>40%工业级)、60ml HNO3、120mlH3PO4和790ml H2O。
[0010]优选的，步骤S3中定向砂磨是指砂磨方向垂直于后续轧制方向，砂纸粒度为#120～#240目。
[0011]优选的，步骤S4中TA1/6061交替叠放总厚度为3～6mm。
[0012]优选的，步骤S4中使用的金属丝材是直径为0.18mm的钼丝，缠绕时拉紧一端，沿着坯料缠绕4～6圈后扎紧。
[0013]优选的，步骤S5中设定温度为600℃，保温60min。
[0014]优选的，步骤S6中的轧机预热温度为500℃，轧制压下量为50%，轧制方向以叠层坯长边进入轧辊的运动方向为准，通过单道次热轧复合，使叠层坯厚度由4mm减薄至2mm。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明通过精确控制的表面预处理与轧制工艺，实现了TA1/6061异质界面的高质量冶金结合。具体而言，采用特定配方的酸洗液分别去除钛板和铝板表面的氧化层，并结合垂直于轧制方向的#180目定向砂磨，在洁净表面构建了微观粗糙结构，显著增加了界面真实接触面积。随后通过金属丝材缠绕固定叠层坯，有效抑制了轧制过程中的层间滑移;同时将轧辊预热至500℃，减少了板坯与轧辊接触瞬间的热量散失，保证了界面原子的充分扩散活性。经SEM观察，材料截面呈现连续致密的叠层结构，层间界面无宏观裂纹或脱粘分层;EDS线扫描分析进一步证实，界面处形成了约1μm的连续元素过渡带，Ti、Al元素呈梯度变化，Si、Mg等合金元素仅分布于铝侧，表明界面实现了良好的冶金结合与元素互扩散，层间脱粘风险显著降低;
本发明通过优选轧制温度窗口，实现了钛铝层状复合材料强度与塑性的协同提升，综合力学性能显著优于现有多数同类材料。实施例1(600℃轧制)制备的复合材料极限抗拉强度(UTS)达520.31 MPa，屈服强度(YS)为439.12 MPa，断后伸长率(EL)达19.56%。如图3所示，该性能点位于应力应变散点图的右上区域，其强塑性匹配显著优于文献[2]-[5]报道的同类材料;相较于文献[1]虽强度略低，但塑性显著提升，真正实现了强塑性的协同优化。实施例2(650℃轧制)因温度接近6061铝合金固相线，导致铝层过度软化、流动失稳，性能下降至极限抗拉强度(UTS)426.65 MPa、断后伸长率(EL)13.29%，该对比反证了600℃作为本发明优选工艺窗口的关键意义，凸显了精准控温对实现高强塑性的核心作用;
本发明针对TA1/6061体系设计了一套流程短、控制性强、易于工业化的制备方法。与申请号CN117019870A的专利文件所述需经“多道次热轧+热扩散+异步冷轧+交叉冷轧”等多阶段复杂工艺不同，本发明仅通过“分别退火—酸洗去膜—垂直轧向定向砂磨—丝材限位—轧机预热—单道次热轧”的核心流程，即实现界面稳定结合与性能提升。该工艺路线通过表面活化与限位设计，在不依赖长时间热扩散处理与后续冷轧的情况下，显著缩短了生产周期;同时常规轧机经预热即可满足生产要求，设备投入与能耗成本较低，工艺窗口清晰、过程可控性强，适用于TA1/6061复合板的规模化快速制备，具有良好的工程应用前景。
附图说明
[0016]图1为不同轧制温度下(600℃和650℃)制备的TA1/6061钛铝层状复合材料与原始6061铝板、TA1钛板的工程应力-应变曲线对比图;
图2为不同轧制温度下(600℃和650℃)制备的TA1/6061钛铝层状复合材料的抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和断后伸长率(EL);
图3为本发明制备的TA1/6061钛铝层状复合材料与其他文献中不同钛铝体系复合材料的极限抗拉强度与断后伸长率(强度-塑性)的对比散点图;
图4为600℃热轧复合后TA1/6061钛铝层状复合材料截面SEM形貌图;
图5中a为TA1/6061钛铝层状复合材料(600℃)界面处SEM图(线条为EDS线扫位置);b为所示线扫描位置的EDS结果图。
具体实施方式
[0017]实施例1，本发明提出一种高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，包含以下步骤：
1、 各准备4块单板尺寸为100 mm×80 mm×0.5 mm的TA1钛板和6061铝板;
2、 将TA1板在520℃下保温60min 后空冷;6061板在300℃下保温40 min 后空冷;
3、 退火后对两种板材进行酸洗处理以去除氧化层，每1000ml TA1钛板酸洗液包括60ml HF(>40%工业级)+180ml HNO3+760ml H2O，每1000ml 6061铝板酸洗液包括30ml HF(>40%工业级)+60ml HNO3+120ml H3PO4+790ml H2O。使用#180目砂纸沿着垂直于轧制方向(即垂直于80mm所在边)对TA1板和6061板表面进行定向砂磨，随后在水中超声清洗并干燥;
4、 将干燥后的板材按TA1/6061/TA1/6061...交替叠放，共8层，总厚度4mm，金属丝材在两侧将叠层坯缠绕固定;使用的金属丝材是直径为0.18mm的钼丝，缠绕时拉紧一端，沿着坯料缠绕4～6圈后扎紧;金属丝材可以替换为其它材料，需要跟随坯料一同加热保温、热轧复合;为保证叠层材料不会在轧制过程中散开，后面成品只保留没有缠绕金属丝材的部;
5、 将固定好的叠层坯放入600℃的加热炉中保温1h，同时，将轧机的轧辊预热至500℃;
6、 快速取出保温后的叠层板送入轧机，沿80mm所在边方向进行单道次轧制，压下量为50%，轧制后厚度为2mm，空冷至室温，标记为ARB-600℃-1P。
[0018]实施例2，本发明提出一种高强塑性匹配钛铝层状复合材料的制备方法，除步骤(5)中将保温温度设定为650℃外，其余步骤均与实施例1相同。该试样标记为ARB-650℃-1P。
[0019]如图1-图2所示，经测试，实施例1制备的复合板材ARB-600℃-1P性能优异，其极限抗拉强度(UTS)达到 520.31 MPa，屈服强度(YS)为 439.12 MPa，断后伸长率(EL)为19.56%。该综合性能显著优于现有文献报道的多数钛铝复合材料。实施例2制备的复合板材的极限抗拉强度(UTS)为426.65MPa，屈服强度(YS)为 375.06 MPa，断后伸长率(EL)为13.29%。虽然随着加热温度升高，性能较600℃有所下降，但仍保持在可接受的范围内。
[0020]结合图3的应力应变散点对比可知，实施例1(600℃)的性能点位于右上区域，表明其强塑性匹配优于多数已报道的Ti/Al层状复合材料体系;实施例2(650℃)虽仍具一定综合性能，但相较600℃样品的优势减弱。温度升高导致性能下降的原因可能在于，650℃接近6061铝合金固相线/熔点区间，长时保温下铝侧基体软化，铝层材料流动更剧烈引起局部层厚不均，从而导致强塑性下降。该结果从对比角度反证了本发明存在更优的温度窗口(优选约600℃)。
[0021]进一步地，在钛铝界面处进行EDS线扫描如图5(a)所示,对应的线扫描结果如图5(b)所示。Al与Ti信号在界面位置发生明显交替变化，并在界面附近呈现窄的元素过渡带(约1μm量级)，表明界面处存在元素互扩散/渗入趋势。Si、Mg等6061合金元素信号主要分布于铝侧，进入钛侧后显著降低，说明元素分布与材料来源一致。上述结果从形貌与元素分布两方面佐证了实施例1所制备复合材料界面结合紧密、层间脱粘风险较低。
[0022]为评价实施例1制备的TA1/6061钛铝层状复合材料的界面结合质量，对其截面进行SEM观察与EDS线扫描分析。如图4所示，材料截面呈现交替叠层排列形貌，各层沿轧制方向延展连续，层间界面整体连续，未观察到贯穿性宏观裂纹或大面积脱粘分层，说明热轧复合后层间实现了有效贴合与稳定复合。界面呈一定起伏形貌，反映热轧塑性流动引起的界面形变与机械咬合特征，有利于增强层间结合稳定性。
[0023]综上所述，本发明通过“分别退火匹配+酸洗去膜+垂直轧向定向砂磨+丝材限位防滑+轧机预热单道次热轧复合”的组合工艺，实现了界面稳定结合与强塑性协同提升，具有良好的工程应用前景。
[0024]附图3数据说明(文献对比)：
[1] 传统热轧Ti/Al复合板：强度约627 MPa，延伸率约5.2%(高强度、低塑性);
[2] Al/Ti/Mg三层板：强度约335.9MPa，延伸率约2.3%;
[3] 6061/TA1/6061：强度约255MPa，延伸率约17%;
[4] Al-6061/Ti-TA1：强度约325 MPa，延伸率约8.2%;
[5] TA1/1060：强度约250 MPa，延伸率约43%(低强度、高塑性)。
[0025]参考文献
[1] DENGKE Y, CIZEK P, PETER H and CUI'E W. Ultrafine equiaxed-grainTi/Al composite produced by accumulative roll bonding[J]. Scripta Materialia,2010, 62: 321-324.
[2]PARISA D M, BEITALLAH E. Microstructure and mechanical propertiesof Tri-metal Al/Ti/Mg laminated composite processed by accumulative rollbonding[J]. Materials Science & Engineering A, 2015, 628: 135-142.
[3] CHAO Y, YUHUA W, ZHI Y, et al. Effect of Ti fracture onmechanical properties of accumulative-roll-bonded Ti-Al composite plates[J].Journal of Materials Research and Technology, 2023, 25: 6702-6709.
[4] XIAOBO Z, YANGBO Y, BIN L, et al. Microstructure characteristicsand tensile properties of multilayer Al-6061/Ti-TA1 sheets fabricated byaccumulative roll bonding[J]. Journal of Materials Processing Technology,2020, 275: 116378.
[5] MENG H, CHAO X, GUOHUA F, et al. Role of layered structure inductility improvement of layered Ti-Al metal composite[J]. Acta Materialia,2018, 153: 235-249.
[6] 蔡国君, 黄艳茹, 李英葆, 等. 一种Ti/Al/Mg/Al/Ti复合板材的轧制工艺[P]. 中国: CN117019870A, 2023-11-10.
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
说明书附图(6)
