[发明专利]一种多层铜/钛复合板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种铜/钛多层复合板及其制备方法。

背景技术

由异种金属以较细尺度（微米、亚微米甚至纳米）单元层厚度交替叠加组成的金属层状复合体，由于其高强度/硬度、优异的抗辐照损伤等特性，目前在微元器件、微机电系统、生物材料和核工业等高新技术领域已得到广泛应用。这类材料在加工制备和随后的服役过程中常需承受大应变变形及循环载荷的作用，这对其抵抗塑性形变损伤的能力提出了很高要求，因此对层状金属复合材料的研究和开发成为材料领域关注的热点。对于包含低对称性密排六方结构（hcp）金属的层状复合材料，由于其大量的层/层异质界面能够有效地吸收由核辐照引起的空位、间隙原子等缺陷，且hcp金属自身具有密度低、比强度和比刚度高、导电导热性好和抗腐蚀等特点，近年来由钛、锆、镁与其它金属复合而成的六方系多层材料开始受到人们的瞩目。但是与晶体结构对称性高的面心立方（fcc）和体心立方（bcc）金属相比，hcp金属的室温塑性变形能力差，这在很大程度上制约了相关复合材料的开发和使用。因此，开展包含hcp金属的金属层状复合体形变结构和服役行为的研究对六方系复合材料的设计与应用具有重要的意义。

目前制备层状金属复合材料的方法主要有磁控溅射、喷射沉积、爆炸焊和累积叠轧等。累积叠轧是通过连续轧制过程中的大压下量塑性变形实现不同板层的紧密焊合，该方法工艺简单、无空隙和界面污染，并可通过有效细化晶粒提高材料的机械强度，是当前工业化生产层状金属复合板最具优势的方法。然而，对经历了轧制变形的hcp金属，由于其内部形成较强的{0001}基面织构，导致可开动的滑移系数量有限，这大大降低了由累积叠轧技术获得的金属板材继续均匀变形的能力。另一方面，就叠轧工艺而言，实现力学属性（主要指屈服强度和加工硬化能力）差异较大的两种金属的复合存在一定困难，当前累积叠轧技术仅被应用于同种金属的复合（如镁合金-镁合金）以及部分异种金属（如Al-Mn、Al-Mg、Al-Fe）之间的复合。目前，国内外学者在金属层状复合材料微观形变及其塑性变形能力方面已开展了广泛研究，但对包含有hcp金属的层状复合体的研究相对有限。对由300 ℃叠轧获得的AZ31镁合金板的研究表明，经3道次轧制复合，动态再结晶导致晶粒显著细化，材料的强度略有下降，但均匀延伸率从叠轧之前的14.2%提高至32.1% （詹美燕，李元元，陈维平，中国有色金属学报，Vol.17, pp.841-851, 2007）。对由400 ℃叠轧3道次获得的Al-Mg层状复合板的研究则表明，叠轧变形过程中的织构演变和动态再结晶能够提高材料的强度，但由于板材内形成了较强的基面织构，塑性延伸率随着叠轧道次的增加从轧制前的8%急剧下降至2.2%（K. Wu, H. Chang, E. Maawad, W.M. Gan, H.G. Brokmeier, M.Y. Zheng, Materials Science & Engineering A, Vol.527, pp.3073-3078, 2010），一致的现象在对ME20镁合金复合板的研究中亦有报导（X. Li, T. Al-Samman, G. Gottstein, Materials Letter, vol. 65, pp.1907-1910, 2011）。

然而，除镁和镁合金之外，对于再结晶温度较高的其它hcp金属（如钛、锆）而言，难以在不降低材料强度的前提下通过使叠轧板材发生动态再结晶来维持其塑性。如前所述，织构的存在对六方金属的微观力学行为影响显著，比如通过异步轧制、反复叠轧等方式向纯镁引入剪切变形或添加微量稀土元素来弱化其基面织构都有助于提高其塑性成型性。那么，对由六方和立方结构金属组成的多层复合材料而言，异质界面处的应力状态对六方金属的塑性变形有何影响？立方金属优先开动的位错、孪晶和剪切带与异质界面之间如何协调应变？再者，形变机制的变化势必导致材料织构的演化，六方金属内的织构状态是否有利于改善其自身的塑性变形能力？在以往文献中，未见有关上述问题实验研究和理论解析的报道。但是，解答这些未解的疑问却是成功开发高强韧性六方系复合材料的关键。因此，通过研究六方金属与其它结构组元金属之间应变协调的特性，阐明微层状复合结构中异质界面对各金属形变和织构演化的效应，这对揭示材料的服役失效机理和设计具有最优综合力学性能的六方系复合材料具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述包含有密排六方金属的层状复合体塑性延伸率较低、制备和加工难等问题，本发明提供一种多层铜/钛复合板及其制备方法，通过合理的叠轧工艺控制及退火处理控制，使所制备的复合板组织均匀、致密稳定。