一种钛/铝固液复合铸造成型方法与流程

本发明属于材料加工工程领域，涉及一种钛/铝固液复合铸造成型方法。

背景技术：
铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。铝合金的比重小、导电性和耐蚀性都较高而且具有较高的热导率，价格也相对其他金属较为低廉，在实际生产中的得到了大量的应用，已经广泛的应用于航空、航天、兵器、舰船、交通运输等行业。但铝合金抗冲击性能较差，且在高温和腐蚀性环境中其性能大大降低。相对于铝合金，钛合金作为结构材料具有非常优异的性能，比如：耐腐蚀、耐高温、抗冲击、高强高韧等优异性能，因此在航空航天领域得到了大量的应用，例如被大量的用于制作飞机发动机部件以及机身构件、卫星等方面，但是由于钛合金价格昂贵且其刚度较低，使得其应用受到了限制。而钛/铝双金属复合材料能够兼钛合金耐腐蚀、耐高温、抗冲击韧性的优点和铝合金低比重、高热导性的优势，而且能够减少钛合金用量，大大降低使用成本。钛/铝双金属复合材料具有钛和铝单一材料所不具备的综合性能，因而成为航空航天、石油化工等领域中竞相研制的新材料。目前钛/铝复合材料的制备主要依靠轧制复合、热压扩散、爆炸复合、搅拌摩擦焊等工艺。徐磊等公开了一种以钛箔铝箔为原料，轧制复合制备Ti-Al-Ti多层层状复合材料的方法（公开号：CN1535812A）。F.Barbeau等采用可热处理强化的铝合金在370-540℃下1-24小时（4-12小时为主），嵌入TA6V，TA5E，TA8DV，Ti.10.2.3，TA6V6E等合金温压扩散形成零件（公开号：EP1118457A1）。岳宗洪等公开了一种铝-钛复合材料的爆炸焊接制造方法（公开号：CN101190474）。竺培显等公开了一种钛/铝复合板及其制备方法，采用焊接、熔铸、爆炸复合、轧制和热压工艺中一种或一种以上制备钛将铝完全包覆或部分包覆的钛/铝复合板（公开号：CN101319333）以及一种湿法冶金技术领域用于电解过程的不溶性阳极的钛包铝层状复合板及其制备方法，包括采用电弧喷涂、喷射沉积、复合轧制、熔融覆镀等工艺中的一种或多种在钛板表面单面涂敷铝层，得到钛/铝复合板，再将两块钛/铝复合板制备成由铝为内芯(以此改善电极的导电性能)，而外层由钛包覆的钛包铝层状复合电极材料（公开号：CN101574861B）。马志新等公开了一种由铝合金基层和钛覆层构成，总厚度为1.5mm层状钛铝复合板及其制备方法（公开号：CN101450542）。陈猛公开了一种包括钛金属薄板面层、粘结层、基层为铝的钛铝复合板（公开号：CN201756758U）。宋洪海公开了一种采用扩散焊技术将钛薄板和铝板复合在一起,温轧后冷轧获得钛铝复合板的生产方法（公开号：CN102284833A）。但是，这些工艺存在工序复杂、界面结合强度低、制件尺寸受限、工艺参数控制困难、无法实现大规模生产等问题。采用铸造复合法复合钛/铝合金的工艺相对简单，界面结合强度大，成材率较高，因而获得广泛的关注。克洛德贝尔纳大学（里昂第一大学）O.Dezellus等采用固液复合熔铸法获得高性能钛/铝-硅合金复合材料[O.Dezellus,B.Digonnet,M.Sacerdote-Peronnet,etal.Mechanicaltestingoftitanium/aluminium–siliconinterfacesbypush-out.InternationalJournalofAdhesionandAdhesives,2007,27(5):417-421]。其工艺步骤如下：（1）在坩埚下方缠绕导线圈以起到定向凝固作用，并在坩埚底部打下凹槽，在上部设置装置用以确保钛棒插入时位置垂直居中；（2）在坩埚内放入铝合金锭。打开电磁加热开关，熔炼AS-13铝合金并搅拌扒渣；（3）至铝熔体温度达到720℃时插入钛棒；（4）保温十分钟后关闭电源，随炉冷却。这种工艺较为单一，不适应针对要求不同力学性能的大规模生产，无法保证薄且均匀的界面反应层宽度，冶金结合部分有较多的硅颗粒导致韧性不足，致使制件尺寸受到限制。

技术实现要素：
本发明的内容是克服现有技术的不足，用固-液复合法制备钛铝复合铸件，旨在解决现有工艺制备钛铝复合铸件存在的工艺复杂、重复性差、产品形状和尺寸受到限制、界面反应层厚且不均匀、裂纹和孔洞等缺陷较多、界面结合强度不高等问题。本发明的技术方案如下：一种钛/铝固液复合铸造成型方法，所述方法为固体钛合金置于铝合金熔体制备铝包钛铸件，制备工艺包括以下步骤：（1）将钛合金棒加工为直径3～30mm的棒材，经车削打磨得到具有一定表面粗糙度的钛合金棒材；（2）对预制的钛合金棒表面进行化学清洗，去除表面的油污及氧化物；（3）采用井式电阻炉在刚玉坩埚中熔炼铝合金铸锭，直至铝合金铸锭完全熔融；（4）在步骤（3）得到的铝合金熔体中插入步骤（2）中处理得到的钛合金棒材，铝熔体温度为670～840℃；（5）在井式炉中保温5min～15h后，取出空冷至室温得到钛铝复合铸件。进一步的，所述步骤（1）的钛合金棒材为纯钛系列、钛-铝系列、钛-钒系列、钛-镍系列、钛-钼系列或钛-铌系列合金；所述具有一定表面粗糙度的钛合金棒材为最终经过2000#砂纸打磨后得到的钛合金棒材。所述步骤（2）中的化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇进行清洗。所述步骤（3）的铝合金铸锭为纯铝系列、铝-铜系列、铝-锰系列、铝-镁系列、铝-镁-硅系列或铝-锌-镁-铜系列；所述熔炼过程中需进行搅拌、扒渣。进一步的，所述步骤（4）所述的插入方式为中心垂直插入，插入角度由高纯石墨坩埚盖辅助控制。所述步骤（5）中试样取出时需保持稳定，以不出现较大幅度晃动为准。优选的，所述具有一定表面粗糙度的钛合金棒材为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂纸进行打磨得到的钛合金棒材。所述刚玉坩埚上设有石墨坩埚盖，所述石墨坩埚盖为中心含垂直圆孔，厚度为20mm的高纯石墨制件，圆孔直径为权利要求1所述钛合金棒材直径的1.05倍，加工精度不低于±0.2mm。；所述石墨坩埚盖的圆孔用于插入铸件及固定试样。较为优选的，所述步骤（5）中在井式炉中保温30min～10h后，取出空冷至室温。本发明的特点是通过空冷减少了钛和铝界面处发生反应后导致的致密脆性层，通过对热处理条件的调控使钛元素快速扩散，获得均匀分散的颗粒层，在保证冶金结合的同时保证了复合材料的高韧性、高强度等特点。采用本发明制备的复合铸件界面反应层薄且均匀，裂纹及孔洞等缺陷少，结合强度高，其平均剪切强度超过80MPa，远高于未实现铸造复合时纯铝或者铝合金的剪切强度。附图说明图1是钛铝复合铸件复合界面示意图；图2a是实施例1中典型复合界面剪切强度测试载荷-位移曲线；图2b是实施例2中典型复合界面剪切强度测试载荷-位移曲线；图2c是实施例3中典型复合界面剪切强度测试载荷-位移曲线；图3a是实施例1中典型纯钛/纯铝复合界面反应层微观组织形貌；图3b是实施例2中典型钛合金/纯铝复合界面反应层微观组织形貌；图3c是实施例3中典型钛合金/铝合金复合界面反应层微观组织形貌；图4是钛铝复合铸造装置示意图，其中，1为钛合金棒材，2为铝合金熔体，3为自制石墨坩埚盖，4为刚玉坩埚。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。实施例1：纯钛/纯铝复合铸造工业纯钛牌号与成分：TA2工业纯钛，质量分数：Fe≤0.3%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.25%，N≤0.03%，其他元素≤0.10%且合计≤0.40%，其余为Ti。工业纯铝牌号与成分：1A80工业纯铝，其质量分数：含Si≤0.15%，Fe≤0.15%，Cu≤0.03%，Mn≤0.02%，Mg≤0.02%，Zn≤0.03%，Ca≤0.03%，V≤0.05%，Ti≤0.03%，其他元素≤0.02%，其余为Al。具体步骤：（1）将经机加工得到尺寸为Φ6×60mm（直径6mm，长度60mm）的TA2钛棒表面进行机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物。机械处理为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂纸进行打磨，使钛棒表面得到所需粗糙度；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗钛棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式电阻加热炉，刚玉坩埚熔炼铝锭，将计量好的1A80工业纯铝加热稳定至755℃，熔化后搅拌1～2min，并扒渣，直至铝合金铸锭完全熔融。后在坩埚上放置石墨盖，关闭炉门直至温度恒定。（3）在1A80铝熔体中通过坩埚盖的圆孔插入先前处理好的钛棒。（4）在井式炉中保温1h后，缓慢取出空冷至室温。得到的钛铝复合铸件复合界面宏观形貌如图1所示，整个界面反应层薄且均匀，裂纹和孔洞等缺陷少。对铸件进行剪切强度测试，图2a为其剪切强度测试载荷-位移曲线，显示其剪切强度为76.1MPa。图3a为在扫描电子显微镜下观察到的复合界面反应层微观组织形貌，可以看出纯钛和纯铝实现了冶金复合，复合界面反应层厚度为166.4μm。实施例2：钛合金/纯铝复合铸造钛合金牌号及成分：TC4(Ti-6Al-4V)钛合金，其质量分数：Al5.5-6.75%，V3.5%-4.5%，Fe≤0.30%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.20%，N≤0.05%，其他元素≤0.10%且合计≤0.40%，其余为Ti。工业纯铝牌号与成分：1A80工业纯铝，其质量分数：含Si≤0.15%，Fe≤0.15%，Cu≤0.03%，Mn≤0.02%，Mg≤0.02%，Zn≤0.03%，Ca≤0.03%，V≤0.05%，Ti≤0.03%，其他元素≤0.02%，其余为Al。具体步骤：（1）将经机加工得到尺寸为Φ6×60mm（直径6mm，长度60mm）的TC4钛合金棒表面进行机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物。机械处理为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂纸进行打磨，使钛合金棒表面得到所需粗糙度；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗钛合金棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式电阻加热炉，刚玉坩埚熔炼铝锭，将计量好的1A80工业纯铝加热稳定至725℃，熔化后搅拌1～2min，并扒渣，直至铝合金铸锭完全熔融。后在坩埚上放置石墨盖，关闭炉门直至温度恒定。（3）在1A80铝熔体中插入先前处理好的钛合金棒。（4）在井式炉中保温30min后，缓慢取出空冷至室温。得到的钛铝复合铸件复合界面层比实施例1厚，复合界面更为均匀，且未发现裂纹和孔洞等缺陷。对铸件进行剪切强度测试，图2b为其剪切强度测试载荷-位移曲线，显示其剪切强度为69.6MPa。图3b为在扫描电子显微镜下观察到的复合界面反应层微观组织形貌，可以看出钛合金和纯铝实现了冶金复合，复合界面反应层厚度为757.0μm。实施例3：钛合金/铝合金复合铸造钛合金牌号及成分：TC4(Ti-6Al-4V)钛合金，其质量分数：Al5.5-6.75%，V3.5%-4.5%，Fe≤0.30%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.20%，N≤0.05%，其他元素≤0.10%且合计≤0.40%，其余为Ti。铝合金牌号与成分：7050铝合金，其质量分数：含Zn5.7%-6.7%，Cu2.0%-2.6%，Mg1.9%-2.6%，Zr0.08%-0.15%，Si≤0.12%，Fe≤0.15%，Cr≤0.04%，Mn≤0.10%，Ti≤0.06%，其他元素≤0.05%且合计≤0.15%，其余为Al。具体步骤：（1）将经机加工得到尺寸为Φ6×60mm（直径6mm，长度60mm）的TC4钛合金棒表面进行机械处理、化学清洗，去除表面的油污及氧化物。机械处理为依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂纸进行打磨，使钛合金棒表面得到所需粗糙度；所述化学清洗为依次使用5%NaOH溶液、去离子水、5%盐酸溶液、去离子水和无水乙醇清洗钛合金棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式电阻加热炉，刚玉坩埚熔炼铝锭，将计量好的7050铝合金加热稳定至740℃，熔化后搅拌3～4min，并扒渣数次，直至铝合金铸锭完全熔融。后在坩埚上放置石墨盖，关闭炉门直至温度恒定。（3）在7050铝合金中通过坩埚盖的圆孔插入先前处理好的钛合金棒。（4）在井式炉中保温3h后，关闭电源并打开炉门冷却至室温。得到的钛铝复合铸件复合界面层比实施例1更薄，复合界面较为均匀。对铸件进行剪切强度测试，图2c为剪切强度测试负荷-变形曲线，显示其剪切强度为113.9MPa。图3c为在扫描电子显微镜下观察到的复合界面反应层微观组织形貌，可以看出钛合金和铝合金实现了冶金复合，复合界面反应层厚度为1.92μm。以上各实施例所采用的钛铝复合铸造装置如图4所示，其中标示1为钛合金棒材，2为铝合金熔体，3为自制石墨坩埚盖，4为刚玉坩埚。