本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)高強(qiáng)度鈦鎂鈦真空軋制金屬復(fù)合材料，屬于金屬復(fù)合材料和機(jī)械制造綜合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金作為新型的高性能金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的塑形和韌性以及足夠的耐蝕性、高熔點(diǎn)和低導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，尤其是比強(qiáng)度較高，所以被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等高新技術(shù)領(lǐng)域，但其缺點(diǎn)是成本較高；鎂是金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種，優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高、減震性好、價格低廉，但耐腐蝕和耐高溫的性能較差。所以若將鈦和鎂結(jié)合，制成鈦/鎂/鈦三層金屬復(fù)合材料，其將兼有鈦的高強(qiáng)度、耐蝕性、耐高溫和鎂的低比重、價格低廉的特點(diǎn)，在橋梁等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
然而鈦的線膨脹系數(shù)很小，相反鎂的線膨脹系數(shù)較大，所以在實際結(jié)合中常出現(xiàn)鈦合金斷裂的現(xiàn)象。并且高溫狀態(tài)下鈦和鎂都是活躍金屬，很容易氧化，形成氧化層會阻礙鈦和鎂的結(jié)合。另外它們的熔點(diǎn)差距較大，鎂的是921K，而鈦的熔點(diǎn)大約是1993K。這些都是在焊接時要解決的問題。
目前制備此類金屬復(fù)合板的方法主要有3種，釬焊、爆炸焊接以及真空軋制。
釬焊：結(jié)合強(qiáng)度不高，且在鋪設(shè)釬料的過程中易造成釬料不均，會出現(xiàn)漏焊等現(xiàn)象，不適用于較大尺寸的復(fù)合板直接的焊接。
爆炸焊接：幾乎可以實現(xiàn)任何同種或者異種金屬的連接，且所獲得復(fù)合板材的后續(xù)加工性能好，但此方法對板型的控制較為困難，不適于連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)量較低，且在焊接三層復(fù)合板時需要爆炸焊接兩次才能得到性能穩(wěn)定的復(fù)合板，效率低。
真空軋制：將熱軋法與鎢極氬弧焊技術(shù)相結(jié)合。對比傳統(tǒng)熱軋法，該方法中復(fù)合板界面一直處于高真空，加熱過程的界面幾乎不被氧化，因此極大提高了界面結(jié)合性能。但其缺陷是真空軋制法對真空度的要求比較高，且尚不能加工較厚的復(fù)合板。
釬焊由于會出現(xiàn)漏焊等現(xiàn)象且結(jié)合面強(qiáng)度過低，只能作為復(fù)合板結(jié)合的準(zhǔn)備工作，不能作為其復(fù)合板形成的最后工作；鈦和鎂的物理性能相差較大，雖然可以用爆炸焊接的方法制備，但需焊接兩次才能獲得三層復(fù)合板，效率低、成本高；真空軋制法是最適合鈦/鎂/鈦三層復(fù)合板的制備法，不僅可以實現(xiàn)異種金屬間的焊接，還能減少金屬在高溫下的氧化，極大程度上提高其結(jié)合強(qiáng)度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一在于提供鈦/鎂/鈦的三層金屬復(fù)合材料。其特征在于：由兩層鈦合金板材以及一層鎂合金板材按照鈦/鎂/鈦的順序疊放軋制而成。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種工藝簡單、界面結(jié)合良好的鈦/鎂/鈦三層金屬復(fù)合材料的真空軋制復(fù)合方法。
鈦/鎂/鈦三層金屬復(fù)合材料的真空軋制復(fù)合方法，包括以下步驟：
(1)選擇經(jīng)過退火的鈦合金和鎂合金板材作為復(fù)合板的制備基板。退火溫度在650～700℃時，鈦合金的晶?；镜容S化，然而超過這個溫度后，晶粒僅尺寸會增大，力學(xué)性能會隨著溫度的升高而降低，所以較適宜鈦合金的退火溫度是650～700℃；同樣，鎂合金的力學(xué)性能在退火溫度為300～350℃力學(xué)性能較好。退火的保溫時間過短會導(dǎo)致金屬無法產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，而過長又會導(dǎo)致晶粒尺寸減少，保溫時間選擇為2h；
(2)清理表面：用機(jī)械打磨的方法清理板材的待結(jié)合表面至其露出新鮮金屬后，用丙酮和酒精擦拭干凈；由于鈦和鎂在常溫下化學(xué)性能都較為活潑，所以清理后應(yīng)將板材放置在干燥環(huán)境中于8h內(nèi)使用，以防止表面氧化；
(3)鎢極氬弧焊：將兩塊清理后的鈦合金板材和一塊清理后的鎂合金板材按照鈦/鎂/鈦的順序疊放夾緊，使其待加工表面貼合對齊，用交流電源下鎢極氬弧焊的方式進(jìn)行封焊處理，并在封焊后從真空孔抽取空氣使其真空度保持在0.01Pa～0.05Pa，保證待軋制界面之間處于真空狀態(tài)。
(4)預(yù)熱處理：將封焊處理后的疊板放入電阻爐中進(jìn)行預(yù)熱處理，考慮到熱軋的溫度一般選擇金屬再結(jié)晶溫度以上某溫度，即大于0.4倍熔點(diǎn)，鈦的熔點(diǎn)為1933K，再結(jié)晶溫度即為773K，再綜合考慮鎂的熔點(diǎn)僅有921K，所以選擇熱軋之前的預(yù)熱溫度為500～550℃；預(yù)熱時間為1h；
(5)軋制：將預(yù)熱處理后的三層疊板放入軋機(jī)進(jìn)行軋制，首道次壓下率為15％～20％，總壓下率為50％～60％，軋制速度為5～6m/min。首道次壓下率越大，界面氧化物的尺寸就越小，數(shù)量越少，分布越彌散；總壓下率越大，復(fù)合板的拉伸伸長率和抗拉強(qiáng)度越高。然而過大的首道次壓下率和總壓下率均會導(dǎo)致結(jié)合面斷裂，因此選擇首道次壓下率為15％～20％，總壓下率為50％～60％。
(6)均勻化退火處理：將軋制好的復(fù)合板進(jìn)行退火處理，其目的在于加速鈦和鎂元素之間的固態(tài)擴(kuò)散，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度。均勻化退火的溫度過高會導(dǎo)致晶粒尺寸增大，而過低又難以實現(xiàn)固態(tài)擴(kuò)散溫度，因此退火溫度選擇為350℃，時間為3h。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
熱軋之前的真空封焊處理保證了待加工界面之間處于真空狀態(tài)，很大程度地減少了在加熱和軋制過程中氧化層的形成，有效提高了界面結(jié)合強(qiáng)度；所完成的復(fù)合板綜合了鈦和鎂的優(yōu)異性能，在減少成本的情況下減輕了復(fù)合板的比重，且耐腐蝕性和耐高溫性得到顯著提高；工藝簡單，三層的鈦/鎂/鈦復(fù)合板僅需一次軋制就可以完成，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
下面通過具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
附圖說明
圖1為真空軋制鈦/鎂/鈦三層復(fù)合板示意圖，其中，1為上層鈦復(fù)板，2為上焊縫，3為鎂板，4為下焊縫，5為下層鈦復(fù)板，6為上真空孔，7為下真空孔。
具體實施方式
實施例一
選擇經(jīng)過退火處理的TA1兩塊和AZ31B一塊，其中TA1尺寸為80mm×80mm×2mm，退火的溫度和時間分別為700℃和2h；AZ31B尺寸為80mm×80mm×6mm，退火的溫度和時間分別為350℃和2h。
①對上述板材的待加工表面進(jìn)行機(jī)械打磨以及用丙酮和酒精擦拭干凈后，按照鈦/鎂/鈦的順序疊放，使其待加工表面貼合；
②用鎢極氬弧焊的方式進(jìn)行封焊處理，并在封焊后從真空孔抽取空氣使其真空度保持在0.01Pa；
③將封焊后的疊板放入電阻爐中預(yù)熱1h，預(yù)熱溫度為500℃；
④將預(yù)熱處理后的三層疊板放入軋機(jī)進(jìn)行軋制，壓下率分別為15％、17.6％、28.6％，總壓下率為50％，軋制速度為5m/min；
⑤對軋制好的復(fù)合板進(jìn)行退火處理，退火溫度為350℃，退火時間為3h；
⑥將退火之后的復(fù)合板進(jìn)行裁邊、精整和校平。
至此，完成了5mm的鈦/鎂/鈦三層復(fù)合板的真空軋制制備。
實施例二
選擇經(jīng)過退火處理的TA2兩塊和AZ31B一塊，其中TA1尺寸為80mm×80mm×3mm，退火的溫度和時間分別為650℃和2h；AZ31B尺寸為80mm×80mm×6mm，退火的溫度和時間分別為300℃和2h。
①對上述板材的待加工表面進(jìn)行機(jī)械打磨以及用丙酮和酒精擦拭干凈后，按照鈦/鎂/鈦的順序疊放，使其待加工表面貼合；
②用鎢極氬弧焊的方式進(jìn)行封焊處理，并在封焊后從真空孔抽取空氣使其真空度保持在0.01Pa；
③將封焊后的疊板放入電阻爐中預(yù)熱1h，預(yù)熱溫度為550℃；
④將預(yù)熱處理后的三層疊板放入軋機(jī)進(jìn)行軋制，壓下率分別為20％、25％、33.3％，總壓下率為60％，軋制速度為6m/min；
⑤對軋制好的復(fù)合板進(jìn)行退火處理，退火溫度為350℃，退火時間為3h；
⑥將退火之后的復(fù)合板進(jìn)行裁邊、精整和校平。
至此，完成了4.8mm的鈦/鎂/鈦三層復(fù)合板的真空軋制制備。