钛铝合金材料及其制作方法.pdf

1、10申请公布号CN101994016A43申请公布日20110330CN101994016ACN101994016A21申请号200910091221322申请日20090812C22C1/00200601C22C14/00200601B21B3/00200601B21B1/38200601C22F1/1820060171申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号72发明人马朝利王曾洁孙彦波赵业青张迪74专利代理机构北京金恒联合知识产权代理事务所11324代理人李强吴云华54发明名称钛铝合金材料及其制作方法57摘要合金材料的制作方法，其特征在于包括形成包括交替叠置的钛箔10

2、2和铝箔103的叠层101，501；把所述叠层101，501加热至铝的熔点以上的温度，进行热处理；所形成的钛铝合金材料具有新颖的TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层。本发明的这种交替微叠层结构本身就包括了现有技术中公认优选的“两相成分”/“两相结构”/“两相合金”，所述交替微叠层中每层的延伸范围与热处理前铝箔/钛箔的延伸范围相当，所述交替叠层的空间周期与热处理开始前所述叠层101，501中交替叠置所述钛箔与所述铝箔的空间周期基本相当；可以对交替微叠层的结构参数进行控制，这些参数包括但不限于TIAL层的厚度、TI3AL2层的厚度、和/或TIAL层TI3AL2层交替叠层的空间周期等。51INTC

3、L19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图5页CN101994020A1/1页21钛铝合金材料的制作方法，其特征在于包括形成包括交替叠置的钛箔102和铝箔103的叠层101，501；把所述叠层101，501加热至铝的熔点以上的温度，进行热处理。2根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述叠层101，501包括被卷起的所述钛箔102和所述铝箔103所构成的一个卷501。3根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括提高所述叠层101，501的致密程度的处理，所述提高所述叠层101，501的致密程度的处理包括辊压、锤打、挤压、用碾环机碾压中的至少一种。4根据权利

4、要求1所述的方法，其特征在于所述热处理包括以约60/分钟的加热速率把所述叠层101，501加热至7001000；把所述叠层101，501在7001000下保持至少一段预定时间。5根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括把所述叠层101，501放置到一个外罩301，502里，并对带有所述外罩301，502的所述叠层101，501进行所述提高所述叠层101，501的致密程度的处理和所述热处理。6根据权利要求1的方法，其特征在于在所述热处理中所述所述叠层101，501被置于非氧化环境中，所述非氧化环境为以下环境中选出的一种真空环境；以及惰性气体环境。7根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述外

5、罩301，502的长度大于所述叠层101，501的长度，且所述热处理中所述所述叠层101，501被置于一个密封容器里，且在所述容器里保持所述非氧化环境。8根据权利要求17中任何一项所述的方法，其特征在于控制钛箔102和/或所述铝箔103的厚度和/或层数，以调节叠层101，501中钛与铝的配比，所述叠层101，501经所述方法处理后的产物具有TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层，所述交替微叠层可以延伸至所述热处理开始前所述铝箔/所述钛箔的整个延伸范围，所述交替叠层的空间周期与热处理开始前所述叠层101，501中交替叠置所述钛箔与所述铝箔的空间周期基本相当。9钛铝合金材料，其特征在于所述合金材料

6、是用如权利要求18中的任何一项所述的方法制成的，所述钛铝合金材料具有TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层，所述交替微叠层可以延伸至所述热处理开始前所述铝箔/所述钛箔的整个延伸范围。10如权利要求9所述的钛铝合金材料，其特征在于所述所述交替叠层的空间周期与热处理开始前所述叠层101，501中交替叠置所述钛箔与所述铝箔的空间周期基本相当。权利要求书CN101994016ACN101994020A1/6页3钛铝合金材料及其制作方法背景技术0001钛铝合金是目前强度/重量比最高的合金材料，但钛铝合金材料的制作，尤其是其型材的制作，迄今仍是困扰业界的问题。业界人士一直在寻求便利、有效、适合特殊应用场合

7、的钛铝合金制作方法。0002在JIANGUOLUO于2001年发表的论文“PROCESSINGNEARGAMMABASEDTITANIUMALUMINUMBYCOLDROLLBONDINGANDDIFFUSIONREACTIONOFELEMENTALTITANIUMANDALUMINUMFOILS”UMIMICROFORM3027364BELLHOWELLINFORMATIONANDLEARNINGCOMPANY，300NORTHZEEBROAD，POBOX1346，ANNARBOR，MI481061346中，公布了一种钛铝合金制备方法，包括依次进行的以下步骤0003制备包括交替叠置的钛箔和铝

8、箔的一个叠层，0004在该叠层外包覆一个钛外层，0005进行第一退火处理，其中把该带有钛外层的叠层加热至略低于铝熔点660的温度650，0006反覆轧压该带有钛外层的叠层，0007进行第二退火处理，把该带有钛外层的叠层加热至超过铝熔点的温度900和/或1350，0008反覆轧压该带有钛外层的叠层。0009最后形成TIAL合金见该文献FIGURE522、FIGURE528和FIGURE529及相关文字说明。0010该工艺的一个关键，是在两次退火处理中避免出现样品的部分熔化第一退火处理的温度低于铝的熔点，而第二退火处理开始的时候样品中的铝已经完全与钛反应，生成了TIAL3TIXALYTI复合体，见

9、该文献FIGURE515和TABLE55及相关文字说明。该复合体各部分的熔点高于第二退火处理的相应温度900和/或1350。即，在该文献披露的工艺过程中，避免了样品部分液相的出现，轧制和扩散过程始终是在固相下进行的。0011在该论文的第910页及其图24AF，介绍了六种可能出现的钛铝合金相的微结构，如本说明书的图8A图8F所示，即00121单相TIAL颗粒，其完全由TIAL颗粒构成图8A；00132双重结构，其包括混杂的单相TIAL颗粒与TI3ALTIAL2/片层颗粒图8B；00143全TI3ALTIAL2/片层颗粒，其完全由TI3ALTIAL2/片层颗粒构成图8C；00154近全单相TIAL

10、颗粒，其几乎完全由TIAL颗粒构成，但有很少量的TI3ALTIAL2/片层颗粒图8D；00165近全TI3ALTIAL2/片层颗粒，其几乎完全由TI3ALTIAL2/片层颗粒构成，但有很少量的单相TIAL颗粒图8E；00176双相结构，其包括混杂的TIAL颗粒和TI3AL2颗粒图8F。说明书CN101994016ACN101994020A2/6页40018其中，值得注意的是TIALTI3AL2/片层颗粒，这种颗粒由交替的TIAL片层和TI3AL2片层构成。这种TIAL和TI3AL的交替片层是局限于单个颗粒之内的；按照该文献第9页倒数第5行的描述，这些颗粒的尺寸“通常大于300微米”。0019该

11、文献的图528B和529B显示了其TI3ALTIAL2/片层结构的细节；从图529B中的尺度可推算出这种片层中TI3AL2层与TIAL层交替的空间周期约为2微米。0020该文献第11页第45行指出，“由于单相合金的强度较低，两相合金具有最大的工程价值”。0021中国专利申请第2007100717160号“叠层轧制扩散复合制备钛合金/TIAL合金复合板材的方法”公布了一种钛合金/TIAL合金复合板材的制备方法，其包括依次步骤0022设置钛箔与铝箔交替叠置构成的叠层，叠层中加入至少一层钛或钛合金板或箔；0023把叠层放入一个金属包套；0024把包套内抽真空至小于1PA，然后把包套密封；0025把包

12、套中的叠层置于20750，保温540分钟，然后进行“低温轧制”；0026把包套中的叠层加热到7501300，保温540分钟，再进行“高温轧制”。0027中国专利申请第2007100717160号的一个关键，在于轧制过程中包括该文献中所说的“低温轧制”和“高温轧制”的温度。尤其是其“低温轧制”的20750温度范围是一个非常大的温度范围，按照前述JIANGUOLUO的文献的图23中的相图，这样大的温度范围内可能导致很多可能的结果成分，而中国专利申请第2007100717160号中并没有对包括这样温度范围的加工方案所获得的产品的成分做任何相应的披露。0028与此相关的一个严重的不确定因素是，铝的熔点

13、是660，因此该文献中所谓的“低温轧制”的20750的温度范围并不是一个单纯的范围，而是跨越了铝的熔点这个关键温度值，而“低温轧制”的温度究竟是在铝的熔点660以上还是660以下的后果是截然不同的。0029所以，进一步相关的一个关键，是叠层里是否有一部分材料尤其是铝处于液相。0030按该文献的描述，可能出现液相的加热过程有00311其说明书第3页第56行关于“具体实施方式一”的描述“将整体材料放入加热炉中加热到20750，并保温540分钟，然后迅速放入轧机开轧”；对应的初始钛箔厚为00203MM，铝箔厚为00203MM第2页倒数第3行倒数第2行；00322其说明书第3页第2122行关于“具体实

14、施方式二”的描述；“再经过950高温轧制，将整体材料放入加热炉中加热到950，并保温25分钟，然后迅速放入轧机开轧”；对应的初始钛箔厚为005MM，铝箔厚为005MM第3页第14行；00333其说明书第4页第56行关于“具体实施方式三”的描述“再经过1000高温轧制，将整体材料放入加热炉中加热到1000，并保温30分钟，然后迅速放入轧机开轧”；对应的初始钛箔厚为007MM，铝箔厚为007MM第3页倒数第4行倒数第3行0034在这些可能出现液相的加热时间里，这样厚度的铝箔中的铝大部分都来不及与钛反应，随后的轧制中至少还有一部分液相铝。对包套中包括液相铝的叠层进行轧制会产生说明书CN1019940

15、16ACN101994020A3/6页5难以预料的后果，液相铝会轻易地被挤走，这样，即使包套足够牢固而不会被轧破，铝和钛原有的叠层分布及其分布均匀性也会被破坏，而被挤走移位的铝无法在实际的加工时间里和钛/钛合金充分地反应，且液相铝的移位也使得难于对铝和钛/钛合金的反应和/或扩散进行控制。结果，对最终产品的成分和/或尺寸无法进行有效控制。0035由于铝在高温下容易氧化，因此液相铝的高温热处理需要在真空或还原环境下进行。上述中国专利申请第2007100717160号的另一个严重缺陷，是它要求采用真空密封的包套，而且这个包套需要能耐受反复的轧制过程并保持密封。这是很高的一个工艺要求。发明内容0036

16、本发明人通过深入研究探索和试验，制作出了一种具有TIALTI3AL复合结构的钛铝合金，该TIALTI3AL复合结构合金的微结构，不同于现有技术的上述六种可能出现的钛铝合金相微结构中的任何一种。0037根据本发明的一个方面，提供了钛铝合金材料的一种制作方法，其特征在于包括0038形成包括交替叠置的钛箔和铝箔的叠层；0039把所述叠层加热至铝的熔点以上的温度，进行热处理。0040根据本发明的另一个方面，用根据本发明的上述方法，产生了一种具有TIALTI3AL2复合结构的钛铝合金，其具有TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层，本发明的这种交替微叠层0041是一种整体性的交替微叠层，其TIAL层与TI

17、3AL层交替微叠层的延伸范围是宏观的尤其是可以达到热处理开始前钛箔与铝箔叠层的整个范围，而不是现有技术中局限于晶体颗粒中的TIALTI3AL片层；0042其TIAL层与TI3AL层交替叠层的空间周期与热处理开始前的叠层中钛箔与铝箔交替的空间周期相当。这样，可以通过调整初始叠层的钛箔铝箔空间周期，而控制最后形成的TIAL层TI3AL层交替叠层的空间周期。0043根据本发明的另一个实施例，上述方法进一步包括提高所述叠层的致密程度的步骤，包括但不限于0044借助轧辊轧压所述叠层；0045用诸如碾环机的装置对卷状的所述叠层进行碾压；0046锤打所述叠层。0047根据本发明的一个更具体的实施例，上述方法

18、进一步包括0048在进行所述热处理之前，把所述叠层置于一个金属外套中，其中该金属套优选地由钛制成；0049借助轧辊对该叠层卷进行轧压。0050根据本发明的另一个方面，提供了一种钛铝合金材料，其特征在于所述钛铝合金材料是用本发明的上述方法制成的，且所述钛铝合金材料包括TIAL层与TI3AL层交替微叠层，这种交替微叠层0051是一种整体性的交替叠层，其TIAL层与TI3AL层交替叠层的延伸范围是宏观的尤其是可以达到初始钛箔与铝箔叠层的整个范围，而不是现有技术中局限于颗粒中的说明书CN101994016ACN101994020A4/6页6TIALTI3AL片层；0052其TIAL层与TI3AL层交替

19、叠层的空间周期与热处理前的叠层中钛箔与铝箔交替的空间周期相当。0053根据本发明的这种交替微叠层结构本身就包括了现有技术中公认优选的“两相成分”和/或“两相结构”和/或“两相合金”；一方面，这种交替微叠层中的每层的范围可达初始的铝箔/钛箔的范围而不象现有技术中的“片层”那样局限于晶体颗粒内；另一方面，所述微叠层沿着层的法线方向交替的空间周期与热处理开始前所述叠层中交替叠置的所述钛箔与所述铝箔的空间周期基本相当。附图说明0054图1用于示意显示根据本发明的制作合金材料的方法的一个实施例。0055图2用于示意显示图1所示的本发明的实施例中的一种轧压过程。0056图3用于示意显示图1所示的本发明的一

20、个进一步的实施例的剖视图。0057图4用于示意显示根据本发明的一个实施例的经过轧制的带外罩的叠层。0058图5用于示意显示根据本发明的一个进一步的实施例。0059图6用于示意显示根据本发明的一个进一步的实施例。0060图7显示了用根据本发明的一个实施例的方法制成的钛铝合金材料的背散射电子显微照片，显示出了该材料所具有的TIAL层TI3AL层交替叠层结构。0061图8A图8F示意显示了现有技术中描述的的钛铝合金的结构。0062图9A9C示意显示了本发明的实施例1中钛箔铝箔叠层卷在各处理阶段的情况。具体实施方式0063图1示意显示了根据本发明的一个实施例，其中，首先把钛箔102和铝箔103交替平铺

21、叠置，形成由交替叠置的钛箔102和铝箔103组成的叠层101。0064然后，可选地，对叠层101进行压实处理。根据本发明的一个实施例，如图2所示意显示的，通过用轧辊201、202对叠层101进行辊压，对叠层101进行压实处理。0065也可以附加或单独地采用其他压实手段/装置来提高叠层101的致密程度，包括但不限于锤打、挤压等。0066图3示意显示了根据本发明的一个进一步的实施例，其中，先把叠层101放置到一个外罩301里，然后把叠层101连同外罩301一起进行辊压、锤打、和/或挤压等压实处理。0067优选地，外罩301由钛制成，或者由钛和铝的一种合金制成。0068应当注意的是，图3是示意图剖视

22、图，其中的尺寸并非实际的比例范围。0069根据一个优选实施例，外罩301的长度大于放置到其中的叠层101的长度，如图3所示。这样，在经过用轧辊201、202对叠层101连同外罩301的轧压之后，外罩301的过长部分会被压合到一起，并贴住叠层101的端部和周边，从而使外罩301紧密包住叠层101，如图4所示。这样的一个好处是，在随后的热处理中，包住叠层101的外罩301能够阻止叠层101中熔化的铝的流出。0070随后，对叠层101进行高温热处理，其中把叠层101加热到高于铝的熔点但低于钛说明书CN101994016ACN101994020A5/6页7的熔点的温度，从而使叠层101中的铝箔中的铝处

23、于液相。0071在这种热处理中，在叠层101中，熔化的铝箔103中的铝与钛箔102中的钛发生相互扩散，从而生成了钛与铝的合金。在本发明的一个具体实施例中，所述高温热处理包括把叠层101在约15分钟里从室温加热至约930，并随后在约900下保持15小时左右。0072根据本发明的一个具体实施例，把包有外罩301的叠层101放到一个石英管未显示里，然后把石英管密封并抽真空，然后对石英管中的包有外罩301的叠层101进行上述高温热处理。0073根据本发明的一个进一步的具体实施例，在装入了包有外罩301的叠层101的石英管中充入诸如惰性气体，然后对该石英管中的叠层101进行上述高温热处理。0074根据本

24、发明的一个进一步的实施例，如图5所示，可以把叠置的一层或多层钛箔102和铝箔103或交替叠置的多层钛箔102和多层铝箔103卷起，从而形成一个卷501。在该卷501中的钛箔102和铝箔103交替叠置，即，卷501包括了由交替叠置的钛箔102和铝箔103组成的叠层。然后对卷501进行轧压等压实处理。0075根据本发明的一个优选实施例，上述压实手段包括用碾环机对卷501进行碾压。0076根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，可以在压实处理前先把卷501放置到一个管外罩502里。优选地，管502由钛制成，或者由钛和铝的一种合金制成。0077图6是沿着与卷501的轴向方向垂直方向看的示意图剖视图。应

25、当注意的是，图5和6中的尺寸并非实际的尺寸和/或比例。0078根据一个优选实施例，管502的长度大于放置到其中的卷501的长度，如图6所示。这样，在经过用轧辊201、202对卷501连同管外罩502的轧压之后，管502的过长部分会被压合到一起，并贴住卷501的端部和周边，从而使压扁的卷501被压扁的管502紧密包住。这样的一个好处是，在随后的热处理中，包住卷501的外罩502能够阻止卷501中熔化的铝的流出。0079图7是本发明的一个这样的实施例中所形成的钛铝合金的背散射电子显微照片。该实施例采用的初始铝箔厚度为27微米，钛箔为50微米，其空间周期为27微米50微米77微米。图7的照片显示，用

26、本发明的上述方法制成的钛铝合金材料包括了TIAL层与TI3AL2层交替叠层，这种交替微叠层的空间周期约为30微米，和压轧后未进行热处理时的钛箔铝箔叠层中的空间周期一致。图7的照片进一步显示出，其中的TIAL层TI3AL2层交替微叠层是一种整体性的交替微叠层，其TIAL层与TI3AL2层交替微叠层的延伸范围是宏观的可达到热处理前的钛箔与铝箔叠层的整个范围，而不是现有技术中局限于颗粒中的TI3ALTIAL2/片层。0080根据本发明的一个实施例，通过控制钛箔102和/或铝箔103的厚度和/或层数，可以调节叠层中钛箔与铝箔的厚度和/或层数，进而可以控制叠层101在热处理后形成的TIAL层TI3AL层

27、交替微叠层的参数，包括TIAL层的厚度、TI3AL2层的厚度、和/或TIAL层TI3AL2层交替叠层的空间周期等。0081实施例10082操作步骤00831把一层0027MM的铝膜和一层005MM的钛膜叠置并卷成一个直径约16MM的钛箔铝箔卷；说明书CN101994016ACN101994020A6/6页800842把上述钛箔铝箔卷放入一个内径约16MM壁厚约1MM的钛管中；钛管的长度比钛箔铝箔长，在钛箔铝箔的两端留出多余的钛管部分；00853用轧机对放入上述钛管中的钛箔铝箔卷轧制10次；图9A示意显示了轧制初始时钛管中的钛箔铝箔卷501的横截面，其中标号902和903示意表示轧辊；图9B示意

28、表示轧制过程里被轧扁的钛箔铝箔卷501的横截面形状；图9C示意表示轧制结束后被轧扁的钛箔铝箔卷饼501的横截面形状；00864随后，把轧制过的钛箔铝箔卷连同轧扁的钛管一起放到一个石英管中，对石英管中抽真空至103PA；00875对石英管中的轧扁的热处理钛箔铝箔卷饼连同钛管进行高温热处理，在约15分钟内加热至约930，加热速率约60/分钟；00886在约930下保持约15小时；00897样品冷却后，做出与原始的钛箔铝箔卷的轴向大体垂直的切面，其中轧扁并热处理后的钛箔铝箔卷饼501的厚度D9大约为7MM；对切面用砂纸打磨抛光，对图9C中标号905大体示意表示的部位摄取背散射电子显微镜照片，获得了图

29、7的背散射电子显微镜照片。请注意图9A9C中的图示并不代表实际的尺寸和/或比例。0090在图7的照片中，经X射线衍射及能谱分析，其暗条深色区部分为TIAL区，相对明亮浅色条区部分为TI3AL2区。如图7所示，TIAL区与TI3AL2区构成了交替的微叠层。该微叠层中每个层的延伸范围达到了热处理前轧扁的钛箔铝箔卷中的钛箔铝箔叠层的整个范围。0091另外，图7照片中的尺度表明，其TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层的空间周期约为30微米，这和初始钛箔铝箔叠层50微米27微米77微米的空间周期经过轧制后减小的空间周期数值基本一致，而和现有技术中约2微米的空间周期差了一个数量级。0092本发明的特点和

30、优点包括但不限于0093用根据本发明的上述实施例的方法形成的钛铝合金材料具有新颖的TIAL层与TI3AL2层的交替微叠层；0094本发明的这种交替微叠层结构本身就包括了现有技术中公认优选的“两相成分”和/或“两相结构”和/或“两相合金”；0095一方面，这种交替微叠层中的每层的范围即初始的铝箔/钛箔的范围而不象现有技术中的“片层”那样局限于晶体颗粒内；另一方面，所述微叠层沿着层的法线方向交替的空间周期与热处理开始前所述叠层101，501中交替叠置的所述钛箔与所述铝箔的空间周期基本一致；0096本发明提供了制作具有这种交替微叠层结构钛铝合金的一种有效的方法；0097根据本发明，可以对交替微叠层的

31、结构参数进行控制，这些参数包括但不限于TIAL层的厚度、TI3AL2层的厚度、和/或TIAL层TI3AL2层交替叠层的空间周期等。0098应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。说明书CN101994016ACN101994020A1/5页9图1图2图3说明书附图CN101994016ACN101994020A2/5页10图4图5图6说明书附图CN101994016ACN101994020A3/5页11图7说明书附图CN101994016ACN101994020A4/5页12说明书附图CN101994016ACN101994020A5/5页13图9A图9B图9C说明书附图CN101994016A