[发明专利]一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法

说明书

本发明公开了Ti‑Al体系梯度防护屏材料的制备方法，是在扩散焊接物理接触阶段改善原子接触面积的方法来提高样品连接性能，具体采用包括以下步骤：1)梯度防护屏体系选择与设计，2)待连接Ti/Al体系样品表面定向打磨处理，3)Ti/Al体系待焊接样品的定向装配，4)Ti/Al体系样品低温连接。本发明能够实现钛合金与铝合金的低温高强连接，制得的Ti‑Al梯度材料焊接接头结合好、与传统焊接接头相比，操作简便且控制难度小、制备温度低且成本低、无金属间化合物、接头残余应力小且性能极好，其抗剪切强度达到128MPa，Ti‑Al梯度材料作为梯度防护屏，与传统防护屏相比，结构设计新颖且合理，面密度小、防护效果好。

技术领域

本发明涉及材料的制备，特别是一种Ti-Al体系梯度防护屏材料的制备方法。

背景技术

空间碎片对于航天器的严重威胁已经引起各个国家极大关注。而利用防护结构对航天器进行保护，使其免受空间碎片的破坏，进而提高航天器使用寿命是现阶段最普遍的方法。在空间碎片防护结构的设计和超高速撞击特性研究方面，美国、俄罗斯和欧洲开始得比较早，取得的成果也最多，居于世界领先水平。Fred Whipple于上世纪40年代提出了单缓冲屏防护结构。单缓冲屏防护结构是由位于前端的铝防护板、位于后部的后壁以及两者之间的间距构成，前端的防护屏用来碎化来袭的空间碎片，如果碰撞速度很高，甚至可将碎裂的空间碎片熔化、汽化，大幅度降低对后壁的破坏。人们为了进一步提高在Whipple防护构型的防护性能，又在其基础型上发展了其他多种防护结构，它们具有相似的基本构型。

用于航天器结构的材料必须满足密度低、比模量和比强度较高、较小的线膨胀系数、较高的比热和热导率、抗辐照、抗老化、真空出气率低等特点。除此之外，由于应用于防护结构上，还应具备对入射粒子的破碎能力强；本身形成碎片对后墙威胁小；令碎片云扩散角度大；使碎片云膨胀速度低二次反溅效应小的特点。在已经普遍使用的防护构型中，常用到的防护材料主要为金属材料、高分子材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料等几类：铝合金是金属材料中最常见的，应用形式主要有板材、铝网、蜂窝板等；高分子材料主要有Kevlar、Spectra、Vectran等；金属基复合材料以铝基复合材料为主，特别是含SiC颗粒、Al₂O₃纤维等；陶瓷基复合材料应用最广泛的是在ZrC基体中加入ZrB2等。轻质的铝、镁合金及其复合材料成为在航天器外层防护结构的首选材料。

而钛合金具有密度低、比强度高和耐腐蚀能力强等优点，是航空、航天、医疗等许多行业急需的材料。用钛合金替代陶瓷，制备钛铝复合后墙材料将是一种很好的选择。

扩散连接(diffusion bonding；diffusion welding)是指在一定的焊接温度和焊接压力条件下，使连接表面相互接触，通过使界面之间形成有效的物理接触，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后母材界面原子经过一定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程，尤其适合异种金属的连接。扩散连接技术广泛应用于原子能，航天航空，电子信息等尖端科技领域的异种金属精密焊接件的制备中。

而在扩散焊接过程中，待焊样品表面的粗糙度严重影响扩散过程的物理接触阶段，文献《The Optimal Surface Roughness Condition on Diffusion Bonding》通过计算得出了不同金属扩散焊接过程中的接触面最佳粗糙度值计算公式。在物理接触阶段，增大接触面积可以促进原子间的扩散，从而在低温下实现异种金属的高强连接。

当前的研究现状表明，用梯度复合材料作为whipple防护结构的后墙材料的应用还比较少，利用控制表面粗糙度的方法来提高扩散焊接接头强度在钛铝合金方面也做的比较少。