專利名稱：β鈦－纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的制作方法
本申請是美國專利申請?zhí)?8/588,868(申請日為1996年1月19日，題目為“β鈦-加強(qiáng)的復(fù)合層狀物”)的國際申請，它是申請日為1995年12月7日，題目為“鈦和石墨纖維復(fù)合物”申請?zhí)?8/568,530的部分后續(xù)申請，該申請是現(xiàn)放棄的美國專利申請?zhí)?8/139,091(申請日為1993年10月18日，題目為“鈦和石墨纖維復(fù)合物”)的后續(xù)申請，其內(nèi)容在此結(jié)合以作整體參考。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)應(yīng)用中要求材料同時具有高強(qiáng)度、低重量和耐磨損。為了滿足這些要求，則利用金屬和金屬-復(fù)合物層狀材料。
材料具有高強(qiáng)度、低重量和耐磨損的一方面用于機(jī)動和人力交通工具的部件構(gòu)造，以提供令人滿意的結(jié)構(gòu)完整性和耐磨損，同時在一定量的燃料或動力下，增加了交通工具的行程。這樣的交通工具包括汽車、卡車、飛機(jī)、火車、自行車、摩托車和宇宙飛船。其它應(yīng)用包括高爾夫球棍(包括柄和頭部)，管狀結(jié)構(gòu)如壘球棒，雪橇和沖浪與滑雪板。
為了滿足航天和航空工業(yè)的需要，已研制許多金屬-復(fù)合物疊層材料以代替航空器基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中傳統(tǒng)使用的各種金屬。然而，這些復(fù)合材料的問題包括不同層的強(qiáng)度與彈性模量比之間不協(xié)調(diào)。這些不協(xié)調(diào)使得在一特定量應(yīng)力作用下，復(fù)合物的各層在復(fù)合物其它層之前斷裂，故造成非斷裂層的強(qiáng)度未充分利用。因此，通常使用的輕質(zhì)金屬-復(fù)合物疊層材料對于金屬-復(fù)合物疊層材料的給定應(yīng)變不能用到各層的最大強(qiáng)度。
因此，除了其它應(yīng)用之外，需要高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料用于工業(yè)如機(jī)動和非機(jī)動交通工具的部件。此外，需要輕質(zhì)的金屬-復(fù)合物疊層材料，對于各金屬-復(fù)合物疊層材料的給定應(yīng)變，應(yīng)充分利用所有各材料層的強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一方面，提供了一種制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法，其包括步驟為首先，提供一種帶有表面區(qū)域的β鈦合金，它具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比。然后，在第1預(yù)定溫度下以第1預(yù)定時間加熱β鈦合金以使β鈦合金具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比。接著，將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合層粘接到β鈦合金上以產(chǎn)生β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間的選定為β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
在一較佳實(shí)施例中，該方法還包括在提供β鈦合金步驟后在其表面貼敷如鉑的貴金屬以產(chǎn)生有敷層β鈦合金的步驟。在另一較佳實(shí)施例中，該方法還包括在提供步驟之后，研磨β鈦合金的表面以增加表面積的步驟。在又一較佳實(shí)施例中，該方法還包括在加熱步驟后，用底料涂敷表面的步驟。按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種按照上述方法制成的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。
按照本發(fā)明的又一方面，提供了一種β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，包括第1層有表面的β鈦合金和第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物，其中，第1層β鈦合金所具有的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。β鈦合金的表面可貼敷一種如鉑的貴金屬。β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物也可包括多層β鈦合金，以及夾在它們之間的至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物，其中，每一層β鈦合金具有的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
本發(fā)明的再一方面提供了一種制造制品的方法，包括如下步驟首先，按照本發(fā)明的方法制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。接著將β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物結(jié)合進(jìn)制品中。這些制品的例子包括機(jī)動車、高爾夫球棍、壘球棒、雪橇、沖浪板、滑雪板、和容器。
本發(fā)明的又一方面提供了一種制備金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物的方法，包括如下步驟首先，提供一種帶有表面區(qū)域的金屬，它具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比。然后，在第1預(yù)定溫度下以第1預(yù)定時間加熱該金屬以使該金屬具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比。接著，將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到該金屬上以產(chǎn)生一種金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物。第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間是在金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同情況下選定；該金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約大于1％。
本發(fā)明的這些特點(diǎn)、特性和優(yōu)點(diǎn)將在下面參照附圖(沒有按比例畫出)的說明和所附的權(quán)利要求書中更加顯而易見。
附圖簡介
圖1是本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物剖面的側(cè)視圖，圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物剖面的側(cè)視圖，圖3是本發(fā)明又一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物剖面的側(cè)視圖，圖4是本發(fā)明再一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物剖面的側(cè)視圖，圖5是本發(fā)明方法一例的流程圖，圖6是將本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物粘接到其邊緣區(qū)域的帽形支撐板剖面的側(cè)視圖。
圖7是本發(fā)明另一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物剖面的側(cè)視圖。
實(shí)施例正如上述，本發(fā)明連同其他實(shí)施例一道包括一種β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，一種制造β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法和由β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物組成的結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在參照說明后將了解到除了其他的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物和按照本發(fā)明所制成的層制品具有高強(qiáng)度重量比，杰出的耐損性，會有較高的抗疲勞性和耐腐蝕性和具有杰出的減震特性。
本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物包括至少第一層有的β鈦合金表面。β鈦合金層至少是一種選自由TIMETAL15-3(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)、BETA 21s(Ti 15Mo-3Al-3Nb)、BETA C(Ti 3Al-8V-6Cr-4Mo)和B120 VCA(Ti 13V-11Cr-3Al)構(gòu)成的組中的β鈦合金，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到可以使用其他的β鈦合金。在一較佳實(shí)施例中，β鈦合金是TIMETAL15-3(Ti15V-3Cr-3Al-3Sn)(購自鈦金屬有限公司，Toronto，OH)。
本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物進(jìn)一步包括至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物。纖維加強(qiáng)復(fù)合物可以是至少一種選自由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂(如購自Hercules Advanced Materials和Systems Company，Magan，UT的HERCULESIM7/8551-7)和S2-玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂(如3M SP 381，購自3M Aerospace Materials Department，St.Paul，MN)構(gòu)成的組中的纖維加強(qiáng)復(fù)合物，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到可以使用其他的纖維加強(qiáng)復(fù)合物。在一較佳實(shí)施例中，纖維加強(qiáng)復(fù)合物是石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，F(xiàn)iberite IM7/977-3(環(huán)氧樹脂預(yù)浸處理帶)(購自Fiberite，Orange，CA)。
β鈦合金層粘接到纖維加強(qiáng)的復(fù)合層上，從而產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)。按照本發(fā)明，層狀物的β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比相似。β鈦合金的屈服強(qiáng)度與彈性模量比與纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的強(qiáng)度與彈性模量比的基本相適配產(chǎn)生一種適用于寬范圍使用的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐破損材料。
在此使用的“大致相同”指約在40％(百分之四十)的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比約在纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的強(qiáng)度與彈性模量比的33％(百分之三十三)范圍內(nèi)。在一特定的較佳實(shí)施例中，β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比約在纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的強(qiáng)度與彈性模量比的10％(百分之十)范圍內(nèi)。在一較佳實(shí)施例中，纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的設(shè)計(jì)極限中的極限負(fù)載小于最大的設(shè)計(jì)負(fù)載，這樣，得到可使用的、約1.2％的強(qiáng)度與彈性模量比，它與β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比非常接近。
現(xiàn)參照圖1，其中示出了本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物10剖面的側(cè)視圖，β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物10包括一層纖維加強(qiáng)的復(fù)合物12，它直接粘接到β鈦合金層16的表面14上。
參照圖2，示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物20剖面的側(cè)視圖。與圖1所示的實(shí)施例相似，該較佳實(shí)施例包括一層粘接到β鈦合金層16的表面14上的貴金屬18，從而在β鈦合金層16的表面14與纖維加強(qiáng)的復(fù)合層12之間產(chǎn)生一層貴金屬18。適用的貴金屬包括至少選自一組由金、銀和鈀組成的一種金屬，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在參照本說明書后應(yīng)當(dāng)理解到其他貴金屬也是適用的。在一特定的實(shí)施例中，貴金屬是鉑(購自Metal Surfaces，Bell Gardens，CA)。
參照圖3，示出了本發(fā)明又一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物30剖面的側(cè)視圖。在該較佳實(shí)施例中，β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物30包括多層β鈦合金層16，以及夾在它們之間的至少一層纖維加強(qiáng)的復(fù)合層12。圖3所示的實(shí)施例包括夾在三層β鈦合金之間的兩層纖維加強(qiáng)的復(fù)合層。每一層β鈦合金16的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同至少一層纖維加強(qiáng)的復(fù)合層12的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
β鈦合金16可以是至少一種選自由TIMETAL15-3(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)、BETA 21s(Ti 15Mo-3Al-3Nb)、BETA C(Ti 3Al-8V-6Cr-4Mo)和B120 VCA(Ti 13V-11Cr-3Al)構(gòu)成的組中的β鈦合金，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到可以使用其他的β鈦合金。在一較佳實(shí)施例中，β鈦合金是TIMETAL15-3(Ti15V-3Cr-3Al-3Sn)(來自鈦金屬有限公司，Toronto，OH)。多層β鈦合金16可以由同樣的β鈦合金構(gòu)成，也可以由不同的β鈦合金構(gòu)成。例如，多層β鈦合金的一層可以由BETA21s構(gòu)成，同時，多個β鈦合金層的另一層由TIMETAL15-3構(gòu)成。
至少纖維加強(qiáng)復(fù)合層12的一層是選自由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂(如購自Hercules Advanced Materials和Systems Company，Magan，UT的HERCULESIM7/8551-7)和S2-玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂(如3M SP 381，購自3M Aerospace Materials Department，St.Paul，MN)構(gòu)成的組中的至少一種纖維加強(qiáng)復(fù)合物，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到可以使用其他的纖維加強(qiáng)復(fù)合物。在一較佳實(shí)施例中，纖維加強(qiáng)復(fù)合物是石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，F(xiàn)iberite IM7/977-3(環(huán)氧樹脂預(yù)浸處理帶)(購自Fiberite，Orange，CA)。
當(dāng)存在多于一層的纖維加強(qiáng)復(fù)合層時，多個纖維加強(qiáng)復(fù)合層12可以由相同的纖維加強(qiáng)復(fù)合物構(gòu)成，也可由不同的纖維加強(qiáng)復(fù)合物構(gòu)成。例如，多層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的一層可由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成，同時多個纖維加強(qiáng)復(fù)合層的另一層可由S2-玻璃加強(qiáng)環(huán)氧樹脂構(gòu)成。
參照圖4，示出了按照本發(fā)明又一實(shí)施例的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物40剖面的側(cè)視圖。與圖3所示實(shí)施例相類似，在該較佳實(shí)施例中，包括粘接到每層β鈦合金16的每個表面14上的貴金屬18層，從而在每個β鈦合金層16的每個表面14與每個纖維加強(qiáng)復(fù)合層12之間形成貴金屬層18。適用的貴金屬包括至少選自由金、銀和鈀構(gòu)成的組中的一種金屬，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到可以使用其他的貴金屬。在一特定的較佳實(shí)施例中，貴金屬是鉑(購自Metal Surfaces，BellGardens，CA)。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法。圖5示出了本發(fā)明方法一例的流程圖。
方法100包括第1步驟110為提供一種具有表面區(qū)域和具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比的β鈦合金。接著，該方法的步驟120為在第1預(yù)定溫度下加熱β鈦合金一第1預(yù)定時間以產(chǎn)生具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比的β鈦合金。然后，該方法的步驟130為將纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到β鈦合金以產(chǎn)生β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。纖維加強(qiáng)復(fù)合物具有強(qiáng)度與彈性模量比。在使β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同的條件下，選定第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間。
適用的第1預(yù)定溫度和適用的第1預(yù)定時間，可以由本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在了解了說明書內(nèi)容后決定并且可以隨著所希望的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比加以變化。在一較佳實(shí)施例中，第1預(yù)定溫度約在450℃-700℃之間，第1預(yù)定時間約在8小時-16小時之間。在一特定的最佳實(shí)施例中，第1預(yù)定溫度約為510℃，而第1預(yù)定時間約為8小時。
在另一較佳實(shí)施例中，制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法還包括在提供步驟后研磨β鈦合金表面的步驟112，從而增大了表面區(qū)域，使表面與貴金屬敷層之間或者是表面與粘接劑涂層之間的粘接加強(qiáng)。
在另一較佳實(shí)施例中，制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法還包括在提供步驟之后，在β鈦合金的表面貼敷一種貴金屬以產(chǎn)生一貼敷的β鈦合金的步驟114。貴金屬可以選自由金、銀和鈀構(gòu)成的組中，但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在參照本說明書后將理解到使用其他的貴金屬也是適用的。在一較佳實(shí)施例中，貴金屬為鉑。
此外，在另一較佳實(shí)施例中，該方法還包括在加熱β鈦合金后在表面施加底層涂料的步驟122。底層涂料可以選自任何適用的底層涂料，如低固體、高溶解環(huán)氧樹脂膠，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在了解了說明書內(nèi)容后將很容易選定。在一較佳實(shí)施例中，底層涂料為EC 3917(購自3MAerospace Materials Department，St.Paul，MN)。
在一較佳實(shí)施例中，粘接步驟130包括將粘接劑施加到β鈦合金表面以將纖維加強(qiáng)復(fù)合層粘接到β鈦合金層上。適用的粘接劑可以根據(jù)纖維加強(qiáng)復(fù)合物的屬性加以決定。適用粘接劑的一個例子為AF 191(購自3MAerospace Materials Department，St.Paul，MN)。
粘接步驟130還可以包括在第2預(yù)定時間內(nèi)以第2預(yù)定溫度加熱β鈦合金和纖維加強(qiáng)復(fù)合物以固化層狀物。適用的第2預(yù)定溫度和適用的第2預(yù)定時間可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在了解說明書內(nèi)容后作出決定。在一較佳實(shí)施例中，第2預(yù)定溫度約在150℃-200℃之間，而第2預(yù)定時間約在45分鐘-90分鐘之間。在一特定的實(shí)施例中，第2預(yù)定溫度約為180℃，而第2預(yù)定時間約為70分鐘。
作為固化過程的一部分也可以施加壓力，以有助于β鈦合金層和纖維加強(qiáng)復(fù)合層之間的粘接。適用壓力可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在了解說明書內(nèi)容后加以決定。在一較佳實(shí)施例中，壓力約在30-100psi。
本發(fā)明方法中適用的β鈦合金和適用的纖維加強(qiáng)復(fù)合物包括在此公開的用于本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的材料。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種制造制品或其部件的方法。該方法包括按照所公開的方法制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物和將β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物結(jié)合到制品或部件中。適于由該方法制備的制品或部件所包括的制品需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料。制品或其部件的例子包括機(jī)動車或非機(jī)動車(如汽車、飛機(jī)、火車、自行車、摩托車和宇宙飛船)部件，例如，工字梁、槽鋼、支撐桿帽形支撐板、板、蜂窩夾層板表面和各種管子。其它適用的制品包括高爾夫球棍(包括柄和頭部)管狀結(jié)構(gòu)如壘球棒、雪橇、沖浪板和滑雪板、以及船運(yùn)容器。
本發(fā)明進(jìn)一步包括制品或其部件，這些制品或其部件由按照本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物或按照本發(fā)明的方法制備的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物構(gòu)成。制品或其部件由β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物構(gòu)成，該β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物有帶表面的第1β鈦合金層和第1纖維加強(qiáng)復(fù)合層，其中，第1β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1纖維加強(qiáng)復(fù)合層的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。制品或其部件還進(jìn)一步包括第2β鈦合金層，使第1纖維加強(qiáng)復(fù)合層位于第1β鈦合金層和第2β鈦合金層之間。第2β鈦合金層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1纖維加強(qiáng)復(fù)合層的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。第1β鈦合金層的表面可貼敷一種貴金屬，其中，貴金屬位于β鈦合金的表面與第1纖維加強(qiáng)復(fù)合層之間。在一較佳實(shí)施例中，貴金屬為鉑。
圖6是帽形支撐板70剖面的側(cè)視圖，這種帽形支撐板可見之于航空器上，是將本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物72粘接到凸緣區(qū)域74上的。
按照本發(fā)明另一方面，提供了一種制備金屬-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層的方法。該方法包括首先提供一種有表面區(qū)域的金屬，該金屬具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比。接著，以一預(yù)定的溫度將金屬在第1預(yù)定時間中加熱，以使金屬具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比。然后，將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到金屬上以產(chǎn)生一種金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層。第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間預(yù)先選擇，使金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約大于1.2％。在一較佳實(shí)施例中，金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約大于1.0％。
例1制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法和由此方法制成的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物是通過如下制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法制成。首先，提供一種為0.020英寸直徑的、TIMETAL15-3(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)(購自鈦金屬有限公司，Toronto，OH)的β鈦合金帶材卷。這些β鈦合金片所具有的第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比約為1.1％。接著，按照本技術(shù)領(lǐng)域所公知的常識，將帶材軋成0.010英寸規(guī)格并切割成大致為24英寸×24英寸的單片。
至少在每個β鈦合金片的一個表面進(jìn)行噴砂以增大表面面積，這一點(diǎn)并不是必須的，但這是本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的。接著，通過本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的無電加工技術(shù)，將一層鉑貼敷到片材噴砂后的表面上，以產(chǎn)生貼敷鉑的β鈦合金片。
然后，在真空室內(nèi)，以510℃的預(yù)定溫度，8小時的預(yù)定時間，對敷鉑的β鈦合金加熱使之時效硬化。加熱導(dǎo)致敷鉑的β鈦合金片硬化并具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比為1.2％。除了改變屈服強(qiáng)度與彈性模量比，加熱還可以從片材表面除去鈦氧化物，從而增進(jìn)鉑粘附于表面的能力。
雖不是必須的，該硬化的、敷鉑的β鈦合金片也可以通過噴EC 3917(購自3M Aerospace Materials Department，St.Paul，MN)涂上底料。涂有底料的、硬化的、敷鉑的β鈦合金片允許空氣中干燥約1小時，然后在約120℃的預(yù)定溫度下固化約1小時的預(yù)定時間。
然后，將纖維加強(qiáng)復(fù)合層附加到涂有底料的、硬化的、敷鉑的β鈦合金片上，以產(chǎn)生本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。每一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物均包含每層厚度約為0.0052英寸的6片IM7/977-3(環(huán)氧樹脂預(yù)浸處理帶)(購自Fiberite，Orange，CA)，每層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的總體厚度約為0.031英寸。所有的IM7/977-3沿著長度或沿著打算承受大部分負(fù)載的方向施加。盡管并不是必須的，但可利用AF191(購自3M Aerospace MaterialsDepartment，St.Paul)膠將IM7/977-3固定到鈦片上。然后，用平壓機(jī)在壓力為100psi和溫度為180℃情況下，塑化層狀物1小時，并且保持100psi的壓力冷卻到室溫。包括兩層β鈦合金，三層纖維加強(qiáng)復(fù)合物和粘接劑的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的總厚度約為0.10英寸。
參見圖7，示出了按照本實(shí)施例制成的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物50剖面的側(cè)視圖。正如圖示，層狀物50包括三層β鈦合金52，每一層上均具有敷鉑層54。夾在三層β鈦合金52之間的是兩層碳纖維預(yù)浸處理帶(IM7/977-3)56，每層帶56均包括6片碳纖維預(yù)浸處理帶。如圖所示，在β鈦合金層52上的每個敷鉑層54與IM7/977-3之間有一層EC 3917底料58和一層AF191粘接劑60。
雖然本發(fā)明參照特定的較佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但可以有其它實(shí)施例。例如，可利用本發(fā)明的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物構(gòu)成夾層板，該板包括在如蜂窩狀(購自Advanced Honeycomb，San Marcos，CA)隔離結(jié)構(gòu)的任一側(cè)上的本發(fā)明β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物。因此，所附上的權(quán)利要求書的精神和范圍并不限于較佳實(shí)施例的描述。
權(quán)利要求
1.一種制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物的方法，包括步驟為(a)提供一種帶有表面區(qū)域的β鈦合金，它具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比；(b)在第1時間中第1溫度下加熱β鈦合金以使β鈦合金具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比；以及(c)將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到β鈦合金上以產(chǎn)生β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物；其特征在于，第1溫度和第1時間的選定應(yīng)使β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在提供步驟(a)后還包括在β鈦合金的表面貼敷貴金屬以產(chǎn)生一敷β鈦合金的步驟。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，貴金屬是鉑。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在提供步驟(a)之后，還包括研磨β鈦合金的表面以增加表面區(qū)域的步驟。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在加熱步驟(b)后，還包括用底料涂敷表面的步驟。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，底料是低固體、高溶解環(huán)氧樹脂膠。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，粘接步驟(c)包括將粘接劑涂敷到β鈦合金的表面。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在粘接步驟中的粘接劑是AF 191。
9.按照權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，粘接步驟(c)包括在第2溫度下以第2時間加熱β鈦合金和纖維加強(qiáng)復(fù)合物。
10.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中所提供的β鈦合金選自由(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)，(Ti 15Mo-3Al-3Nb)，(Ti3Al-8V-6Cr-4M)和(Ti 13V-11Cr-3Al)構(gòu)成的組。
11.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(c)的纖維加強(qiáng)復(fù)合物選自由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂和S2-玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的組中。
12.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)的第1溫度約為510℃，而步驟(b)的第1時間約為8小時。
13.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)所產(chǎn)生的β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約在步驟(c)的纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比的40％內(nèi)。
14.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)所產(chǎn)生的β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約在步驟(c)的纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比的10％內(nèi)。
15.一種由包括下述步驟的方法制成的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，該方法包括如下步驟(a)提供一種帶有表面區(qū)域的β鈦合金，它具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比；(b)在第1預(yù)定溫度下以第1預(yù)定時間加熱β鈦合金，從而產(chǎn)生具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比的β鈦合金；以及(c)將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到β鈦合金上以產(chǎn)生β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物；其特征在于，如此選定第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間，即使β鈦合金的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
16.一種β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，包括第1層有表面的β鈦合金和第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物，其特征在于，第1層β鈦合金的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
17.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，纖維加強(qiáng)復(fù)合物貼靠著β鈦合金的表面。
18.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，β鈦合金的表面涂敷有一種貴金屬。
19.按照權(quán)利要求18所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，纖維加強(qiáng)復(fù)合物貼靠著貼敷有貴金屬的表面。
20.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，β鈦合金的表面貼敷有鉑。
21.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，還包括第2層帶有表面積的β鈦合金，其中，第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物位于第1層β鈦合金的表面與第2層β鈦合金的表面之間，第2層β鈦合金的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
22.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，β鈦合金選自由(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)，(Ti 15Mo-3Al-3Nb)，(Ti3Al-8V-6Cr-4M)和(Ti 13V-11Cr-3Al)構(gòu)成的組。
23.按照權(quán)利要求16所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，纖維加強(qiáng)復(fù)合物選自由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂和S2-玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的組。
24.一種β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，包括多層β鈦合金和夾在這些β鈦合金之間的至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物，其特征在于，每一層β鈦合金屈服強(qiáng)度與彈性模量比同至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
25.按照權(quán)利要求24所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，在每一層β鈦合金和每一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物之間夾有一層貴金屬。
26.按照權(quán)利要求24所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，在每一層β鈦合金和每一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物之間夾有一層鉑。
27.按照權(quán)利要求24所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，β鈦合金選自由(Ti 15V-3Cr-3Al-3Sn)，(Ti 15Mo-3Al-3Nb)，(Ti3Al-8V-6Cr-4Mo)和(Ti 13V-11Cr-3Al)構(gòu)成的組。
28.按照權(quán)利要求24所述的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，纖維加強(qiáng)復(fù)合物層選自由石墨加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂和S2-玻璃加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的組。
29.一種制造制品的方法，包括如下步驟(i)按照權(quán)利要求1的方法制備β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物；以及(ii)將β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物結(jié)合到制品中。
30.按照權(quán)利要求29的制造制品的方法，其特征在于，步驟(ii)中的制品是機(jī)動車、高爾夫球棍、壘球棒、雪橇、沖浪板、滑雪板、和容器構(gòu)成的組中的制品。
31.按照權(quán)利要求29的制造制品的方法，其特征在于，步驟(ii)中的制品是機(jī)動車部件。
32.一種制品或其部件，包括具有帶有表面積的第1層β鈦合金和第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的β鈦-纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物，其特征在于，第1層β鈦合金的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
33.按照權(quán)利要求32的制品或其部件，進(jìn)一步包括第2層β鈦合金，其中，第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物位于第1層β鈦合金和第2層β鈦合金之間，其特征在于，第2層β鈦合金所具有的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。
34.按照權(quán)利要求32的制品或其部件，其特征在于，第1層β鈦合金的表面貼敷一種貴金屬，使貴金屬位于β鈦合金的表面與第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物之間。
35.按照權(quán)利要求32的制品或其部件，其特征在于，第1層β鈦合金的表面貼敷一層鉑，其中，鉑位于β鈦合金的表面與第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物之間。
36.按照權(quán)利要求32的制品或其部件，其特征在于，纖維加強(qiáng)復(fù)合物貼靠著β鈦合金的表面。
37.一種制備金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物的方法，包括如下步驟(a)提供一種帶有表面區(qū)的金屬，其具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比；(b)在第1溫度下以第1時間加熱該金屬以使該金屬具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比；以及(c)將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到該金屬上以產(chǎn)生一種金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物；其特征在于，選定第1溫度和第1時間以使金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同；該金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約大于1.2％。
38.一種金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物，按照包括如下步驟的方法制成，該方法步驟為(a)提供一種帶表面區(qū)的金屬，它具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比；(b)在第1預(yù)定溫度下以第1預(yù)定時間加熱該金屬，以使該金屬具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比；以及(c)將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物粘接到該金屬上以產(chǎn)生一種金屬-纖維加強(qiáng)復(fù)合層狀物；其特征在于，選定第1預(yù)定溫度和第1預(yù)定時間以使金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同；以及該金屬的第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比約大于1.2％。
全文摘要
一種β鈦—纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物(10)包括至少一層β鈦合金(16)和至少一層纖維加強(qiáng)復(fù)合物(12),其中,β鈦合金(16)層的屈服強(qiáng)度與彈性模量比同第1層纖維加強(qiáng)復(fù)合物(12)的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同。一種制備β鈦－纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物(10)的方法包括如下步驟:首先,提供一種具有第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比的β鈦合金;然后,在第1溫度下以第1時間加熱該β鈦合金以產(chǎn)生具有第2屈服強(qiáng)度與彈性模量比的β鈦合金;之后,將具有強(qiáng)度與彈性模量比的纖維加強(qiáng)復(fù)合物(12)粘接到β鈦合金(16)上以產(chǎn)生β鈦－纖維加強(qiáng)的復(fù)合層狀物(10);其中,第1溫度和第1時間是在β鈦合金(16)的第1屈服強(qiáng)度與彈性模量比同纖維加強(qiáng)復(fù)合物(12)的強(qiáng)度與彈性模量比大致相同情況下選定的。
文檔編號B21D39/00GK1207062SQ96199569
公開日1999年2月3日 申請日期1996年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月22日
發(fā)明者威廉姆·R·金登 申請人:蒂康普公司