本發(fā)明屬于材料加工工程領(lǐng)域，涉及一種鈦/鋁固液復(fù)合鑄造成型方法。

背景技術(shù)：
鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。鋁合金的比重小、導(dǎo)電性和耐蝕性都較高而且具有較高的熱導(dǎo)率，價(jià)格也相對其他金屬較為低廉，在實(shí)際生產(chǎn)中的得到了大量的應(yīng)用，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。但鋁合金抗沖擊性能較差，且在高溫和腐蝕性環(huán)境中其性能大大降低。相對于鋁合金，鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料具有非常優(yōu)異的性能，比如：耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊、高強(qiáng)高韌等優(yōu)異性能，因此在航空航天領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，例如被大量的用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及機(jī)身構(gòu)件、衛(wèi)星等方面，但是由于鈦合金價(jià)格昂貴且其剛度較低，使得其應(yīng)用受到了限制。而鈦/鋁雙金屬復(fù)合材料能夠兼鈦合金耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊韌性的優(yōu)點(diǎn)和鋁合金低比重、高熱導(dǎo)性的優(yōu)勢，而且能夠減少鈦合金用量，大大降低使用成本。鈦/鋁雙金屬復(fù)合材料具有鈦和鋁單一材料所不具備的綜合性能，因而成為航空航天、石油化工等領(lǐng)域中競相研制的新材料。目前鈦/鋁復(fù)合材料的制備主要依靠軋制復(fù)合、熱壓擴(kuò)散、爆炸復(fù)合、攪拌摩擦焊等工藝。徐磊等公開了一種以鈦箔鋁箔為原料，軋制復(fù)合制備Ti-Al-Ti多層層狀復(fù)合材料的方法（公開號：CN1535812A）。F.Barbeau等采用可熱處理強(qiáng)化的鋁合金在370-540℃下1-24小時(shí)（4-12小時(shí)為主），嵌入TA6V，TA5E，TA8DV，Ti.10.2.3，TA6V6E等合金溫壓擴(kuò)散形成零件（公開號：EP1118457A1）。岳宗洪等公開了一種鋁-鈦復(fù)合材料的爆炸焊接制造方法（公開號：CN101190474）。竺培顯等公開了一種鈦/鋁復(fù)合板及其制備方法，采用焊接、熔鑄、爆炸復(fù)合、軋制和熱壓工藝中一種或一種以上制備鈦將鋁完全包覆或部分包覆的鈦/鋁復(fù)合板（公開號：CN101319333）以及一種濕法冶金技術(shù)領(lǐng)域用于電解過程的不溶性陽極的鈦包鋁層狀復(fù)合板及其制備方法，包括采用電弧噴涂、噴射沉積、復(fù)合軋制、熔融覆鍍等工藝中的一種或多種在鈦板表面單面涂敷鋁層，得到鈦/鋁復(fù)合板，再將兩塊鈦/鋁復(fù)合板制備成由鋁為內(nèi)芯(以此改善電極的導(dǎo)電性能)，而外層由鈦包覆的鈦包鋁層狀復(fù)合電極材料（公開號：CN101574861B）。馬志新等公開了一種由鋁合金基層和鈦覆層構(gòu)成，總厚度為1.5mm層狀鈦鋁復(fù)合板及其制備方法（公開號：CN101450542）。陳猛公開了一種包括鈦金屬薄板面層、粘結(jié)層、基層為鋁的鈦鋁復(fù)合板（公開號：CN201756758U）。宋洪海公開了一種采用擴(kuò)散焊技術(shù)將鈦薄板和鋁板復(fù)合在一起,溫軋后冷軋獲得鈦鋁復(fù)合板的生產(chǎn)方法（公開號：CN102284833A）。但是，這些工藝存在工序復(fù)雜、界面結(jié)合強(qiáng)度低、制件尺寸受限、工藝參數(shù)控制困難、無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等問題。采用鑄造復(fù)合法復(fù)合鈦/鋁合金的工藝相對簡單，界面結(jié)合強(qiáng)度大，成材率較高，因而獲得廣泛的關(guān)注?？寺宓仑悹柤{大學(xué)（里昂第一大學(xué)）O.Dezellus等采用固液復(fù)合熔鑄法獲得高性能鈦/鋁-硅合金復(fù)合材料[O.Dezellus,B.Digonnet,M.Sacerdote-Peronnet,etal.Mechanicaltestingoftitanium/aluminium–siliconinterfacesbypush-out.InternationalJournalofAdhesionandAdhesives,2007,27(5):417-421]。其工藝步驟如下：（1）在坩堝下方纏繞導(dǎo)線圈以起到定向凝固作用，并在坩堝底部打下凹槽，在上部設(shè)置裝置用以確保鈦棒插入時(shí)位置垂直居中；（2）在坩堝內(nèi)放入鋁合金錠。打開電磁加熱開關(guān)，熔煉AS-13鋁合金并攪拌扒渣；（3）至鋁熔體溫度達(dá)到720℃時(shí)插入鈦棒；（4）保溫十分鐘后關(guān)閉電源，隨爐冷卻。這種工藝較為單一，不適應(yīng)針對要求不同力學(xué)性能的大規(guī)模生產(chǎn)，無法保證薄且均勻的界面反應(yīng)層寬度，冶金結(jié)合部分有較多的硅顆粒導(dǎo)致韌性不足，致使制件尺寸受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的內(nèi)容是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，用固-液復(fù)合法制備鈦鋁復(fù)合鑄件，旨在解決現(xiàn)有工藝制備鈦鋁復(fù)合鑄件存在的工藝復(fù)雜、重復(fù)性差、產(chǎn)品形狀和尺寸受到限制、界面反應(yīng)層厚且不均勻、裂紋和孔洞等缺陷較多、界面結(jié)合強(qiáng)度不高等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種鈦/鋁固液復(fù)合鑄造成型方法，所述方法為固體鈦合金置于鋁合金熔體制備鋁包鈦鑄件，制備工藝包括以下步驟：（1）將鈦合金棒加工為直徑3～30mm的棒材，經(jīng)車削打磨得到具有一定表面粗糙度的鈦合金棒材；（2）對預(yù)制的鈦合金棒表面進(jìn)行化學(xué)清洗，去除表面的油污及氧化物；（3）采用井式電阻爐在剛玉坩堝中熔煉鋁合金鑄錠，直至鋁合金鑄錠完全熔融；（4）在步驟（3）得到的鋁合金熔體中插入步驟（2）中處理得到的鈦合金棒材，鋁熔體溫度為670～840℃；（5）在井式爐中保溫5min～15h后，取出空冷至室溫得到鈦鋁復(fù)合鑄件。進(jìn)一步的，所述步驟（1）的鈦合金棒材為純鈦系列、鈦-鋁系列、鈦-釩系列、鈦-鎳系列、鈦-鉬系列或鈦-鈮系列合金；所述具有一定表面粗糙度的鈦合金棒材為最終經(jīng)過2000#砂紙打磨后得到的鈦合金棒材。所述步驟（2）中的化學(xué)清洗為依次使用5%NaOH溶液、去離子水、5%鹽酸溶液、去離子水和無水乙醇進(jìn)行清洗。所述步驟（3）的鋁合金鑄錠為純鋁系列、鋁-銅系列、鋁-錳系列、鋁-鎂系列、鋁-鎂-硅系列或鋁-鋅-鎂-銅系列；所述熔煉過程中需進(jìn)行攪拌、扒渣。進(jìn)一步的，所述步驟（4）所述的插入方式為中心垂直插入，插入角度由高純石墨坩堝蓋輔助控制。所述步驟（5）中試樣取出時(shí)需保持穩(wěn)定，以不出現(xiàn)較大幅度晃動(dòng)為準(zhǔn)。優(yōu)選的，所述具有一定表面粗糙度的鈦合金棒材為依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂紙進(jìn)行打磨得到的鈦合金棒材。所述剛玉坩堝上設(shè)有石墨坩堝蓋，所述石墨坩堝蓋為中心含垂直圓孔，厚度為20mm的高純石墨制件，圓孔直徑為權(quán)利要求1所述鈦合金棒材直徑的1.05倍，加工精度不低于±0.2mm。；所述石墨坩堝蓋的圓孔用于插入鑄件及固定試樣。較為優(yōu)選的，所述步驟（5）中在井式爐中保溫30min～10h后，取出空冷至室溫。本發(fā)明的特點(diǎn)是通過空冷減少了鈦和鋁界面處發(fā)生反應(yīng)后導(dǎo)致的致密脆性層，通過對熱處理?xiàng)l件的調(diào)控使鈦元素快速擴(kuò)散，獲得均勻分散的顆粒層，在保證冶金結(jié)合的同時(shí)保證了復(fù)合材料的高韌性、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。采用本發(fā)明制備的復(fù)合鑄件界面反應(yīng)層薄且均勻，裂紋及孔洞等缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，其平均剪切強(qiáng)度超過80MPa，遠(yuǎn)高于未實(shí)現(xiàn)鑄造復(fù)合時(shí)純鋁或者鋁合金的剪切強(qiáng)度。附圖說明圖1是鈦鋁復(fù)合鑄件復(fù)合界面示意圖；圖2a是實(shí)施例1中典型復(fù)合界面剪切強(qiáng)度測試載荷-位移曲線；圖2b是實(shí)施例2中典型復(fù)合界面剪切強(qiáng)度測試載荷-位移曲線；圖2c是實(shí)施例3中典型復(fù)合界面剪切強(qiáng)度測試載荷-位移曲線；圖3a是實(shí)施例1中典型純鈦/純鋁復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌；圖3b是實(shí)施例2中典型鈦合金/純鋁復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌；圖3c是實(shí)施例3中典型鈦合金/鋁合金復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌；圖4是鈦鋁復(fù)合鑄造裝置示意圖，其中，1為鈦合金棒材，2為鋁合金熔體，3為自制石墨坩堝蓋，4為剛玉坩堝。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1：純鈦/純鋁復(fù)合鑄造工業(yè)純鈦牌號與成分：TA2工業(yè)純鈦，質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Fe≤0.3%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.25%，N≤0.03%，其他元素≤0.10%且合計(jì)≤0.40%，其余為Ti。工業(yè)純鋁牌號與成分：1A80工業(yè)純鋁，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：含Si≤0.15%，F(xiàn)e≤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%，其余為Al。具體步驟：（1）將經(jīng)機(jī)加工得到尺寸為Φ6×60mm（直徑6mm，長度60mm）的TA2鈦棒表面進(jìn)行機(jī)械處理、化學(xué)清洗，去除表面的油污及氧化物。機(jī)械處理為依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂紙進(jìn)行打磨，使鈦棒表面得到所需粗糙度；所述化學(xué)清洗為依次使用5%NaOH溶液、去離子水、5%鹽酸溶液、去離子水和無水乙醇清洗鈦棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式電阻加熱爐，剛玉坩堝熔煉鋁錠，將計(jì)量好的1A80工業(yè)純鋁加熱穩(wěn)定至755℃，熔化后攪拌1～2min，并扒渣，直至鋁合金鑄錠完全熔融。后在坩堝上放置石墨蓋，關(guān)閉爐門直至溫度恒定。（3）在1A80鋁熔體中通過坩堝蓋的圓孔插入先前處理好的鈦棒。（4）在井式爐中保溫1h后，緩慢取出空冷至室溫。得到的鈦鋁復(fù)合鑄件復(fù)合界面宏觀形貌如圖1所示，整個(gè)界面反應(yīng)層薄且均勻，裂紋和孔洞等缺陷少。對鑄件進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，圖2a為其剪切強(qiáng)度測試載荷-位移曲線，顯示其剪切強(qiáng)度為76.1MPa。圖3a為在掃描電子顯微鏡下觀察到的復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌，可以看出純鈦和純鋁實(shí)現(xiàn)了冶金復(fù)合，復(fù)合界面反應(yīng)層厚度為166.4μm。實(shí)施例2：鈦合金/純鋁復(fù)合鑄造鈦合金牌號及成分：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Al5.5-6.75%，V3.5%-4.5%，F(xiàn)e≤0.30%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.20%，N≤0.05%，其他元素≤0.10%且合計(jì)≤0.40%，其余為Ti。工業(yè)純鋁牌號與成分：1A80工業(yè)純鋁，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：含Si≤0.15%，F(xiàn)e≤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%，其余為Al。具體步驟：（1）將經(jīng)機(jī)加工得到尺寸為Φ6×60mm（直徑6mm，長度60mm）的TC4鈦合金棒表面進(jìn)行機(jī)械處理、化學(xué)清洗，去除表面的油污及氧化物。機(jī)械處理為依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂紙進(jìn)行打磨，使鈦合金棒表面得到所需粗糙度；所述化學(xué)清洗為依次使用5%NaOH溶液、去離子水、5%鹽酸溶液、去離子水和無水乙醇清洗鈦合金棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式電阻加熱爐，剛玉坩堝熔煉鋁錠，將計(jì)量好的1A80工業(yè)純鋁加熱穩(wěn)定至725℃，熔化后攪拌1～2min，并扒渣，直至鋁合金鑄錠完全熔融。后在坩堝上放置石墨蓋，關(guān)閉爐門直至溫度恒定。（3）在1A80鋁熔體中插入先前處理好的鈦合金棒。（4）在井式爐中保溫30min后，緩慢取出空冷至室溫。得到的鈦鋁復(fù)合鑄件復(fù)合界面層比實(shí)施例1厚，復(fù)合界面更為均勻，且未發(fā)現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷。對鑄件進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，圖2b為其剪切強(qiáng)度測試載荷-位移曲線，顯示其剪切強(qiáng)度為69.6MPa。圖3b為在掃描電子顯微鏡下觀察到的復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌，可以看出鈦合金和純鋁實(shí)現(xiàn)了冶金復(fù)合，復(fù)合界面反應(yīng)層厚度為757.0μm。實(shí)施例3：鈦合金/鋁合金復(fù)合鑄造鈦合金牌號及成分：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Al5.5-6.75%，V3.5%-4.5%，F(xiàn)e≤0.30%，C≤0.08%，H≤0.015%，O≤0.20%，N≤0.05%，其他元素≤0.10%且合計(jì)≤0.40%，其余為Ti。鋁合金牌號與成分：7050鋁合金，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)：含Zn5.7%-6.7%，Cu2.0%-2.6%，Mg1.9%-2.6%，Zr0.08%-0.15%，Si≤0.12%，F(xiàn)e≤0.15%，Cr≤0.04%，Mn≤0.10%，Ti≤0.06%，其他元素≤0.05%且合計(jì)≤0.15%，其余為Al。具體步驟：（1）將經(jīng)機(jī)加工得到尺寸為Φ6×60mm（直徑6mm，長度60mm）的TC4鈦合金棒表面進(jìn)行機(jī)械處理、化學(xué)清洗，去除表面的油污及氧化物。機(jī)械處理為依次用400#，600#，800#，1000#，1500#,2000#砂紙進(jìn)行打磨，使鈦合金棒表面得到所需粗糙度；所述化學(xué)清洗為依次使用5%NaOH溶液、去離子水、5%鹽酸溶液、去離子水和無水乙醇清洗鈦合金棒表面，去除表面油污及氧化物。（2）采用井式電阻加熱爐，剛玉坩堝熔煉鋁錠，將計(jì)量好的7050鋁合金加熱穩(wěn)定至740℃，熔化后攪拌3～4min，并扒渣數(shù)次，直至鋁合金鑄錠完全熔融。后在坩堝上放置石墨蓋，關(guān)閉爐門直至溫度恒定。（3）在7050鋁合金中通過坩堝蓋的圓孔插入先前處理好的鈦合金棒。（4）在井式爐中保溫3h后，關(guān)閉電源并打開爐門冷卻至室溫。得到的鈦鋁復(fù)合鑄件復(fù)合界面層比實(shí)施例1更薄，復(fù)合界面較為均勻。對鑄件進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，圖2c為剪切強(qiáng)度測試負(fù)荷-變形曲線，顯示其剪切強(qiáng)度為113.9MPa。圖3c為在掃描電子顯微鏡下觀察到的復(fù)合界面反應(yīng)層微觀組織形貌，可以看出鈦合金和鋁合金實(shí)現(xiàn)了冶金復(fù)合，復(fù)合界面反應(yīng)層厚度為1.92μm。以上各實(shí)施例所采用的鈦鋁復(fù)合鑄造裝置如圖4所示，其中標(biāo)示1為鈦合金棒材，2為鋁合金熔體，3為自制石墨坩堝蓋，4為剛玉坩堝。