[0001] 本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种含残余铝的金属间化合物层状复合材料及其制备方法和应用。

[0002] 近年来，Al3Ti因其密度低、杨氏模量高、高温强度高、抗蠕变性能优异而备受关注。因此，Al3Ti在航空航天和装甲防护等方面具有较大的应用潜力。然而，这种金属间化合物在室温下的断裂韧性较差，严重限制了其进一步的工程应用。近年来，研究人员通过引入层状结构，成功提高了Al3Ti金属间化合物的韧性(Lyu S,Sun Y,et al.,Effect of layer sequence on the mechanical properties of Ti/TiAl laminates[J].Materials&Design,2018,143:160‑168./Zhu H,Sun W,et al.,Interfacial characteristics and mechanical properties ofTiAl/Ti6Al4V laminate composite(LMC)fabricatedby vacuum hot pressing[J].Materials Science and Engineering:A,2019,742:704‑711.)。由韧性钛层和脆性Al3Ti层交替组成的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料的断裂韧性与高强度钢相媲美，与Al3Ti金属间化合物中常见的均匀结构相比有了显著改善。然而，层状复合材料延伸性较差(延伸率仅1～3％)的固有劣势仍然制约了其大范围工程应用。因此，在航空航天和国防军工等重要领域对结构材料的严苛要求下，如何提供一种兼具轻量化、高强度、高延伸性和高韧性等优势的复合材料，成为本领域亟待解决的技术问题。

[0024] 本发明提供了一种含残余铝的金属间化合物层状复合材料，包括n个TC4层、n‑1个Al层和2n‑2个金属间化合物层；

[0025] 所述TC4层和Al层交替排布，所述金属间化合物层位于TC4层和Al层的中间。

[0026] 在本发明中，所述n优选为≥3的自然数，更优选为3、4、5、6、7、8、9或10，进一步优选为7、8或9，最优选为8。本发明通过控制n的参数，可以控制TC4层、Al层和金属间化合物层的层数，从而进一步提高复合材料的强度、延伸性和韧性。

[0027] 在本发明中，所述TC4层优选为Ti‑6Al‑4V层；所述金属间化合物层优选为Al3Ti层。本发明通过在TC4层和金属间化合物层之间引入残余铝层，在获得高强度的同时大大提升了复合材料的延伸性，为实现复合材料强韧化设计提供了创新性设计思路和可行性技术手段。

[0028] 在本发明中，所述TC4层的厚度独立地优选为105.8～129.5μm；所述Al层的厚度独立地优选为33.1～119.4μm；所述金属间化合物层的厚度独立地优选为23.2～86.2μm。

[0029] 在本发明中，所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料的总厚度优选为1.5～3mm，更优选为2～2.5mm，进一步优选为2.3mm。本发明通过控制复合材料的总厚度，可以进一步提高复合材料的强度、延伸性和韧性。

[0030] 本发明提供的含残余铝的金属间化合物层状复合材料包含多个Ti‑6Al‑4V层、铝层和金属间化合物层，通过层与层之间大量异质界面能够显著偏移裂纹扩展路径，消耗裂纹扩展能量，从而达到增强材料韧性的效果；通过在Ti‑6Al‑4V层和金属间化合物层之间引入残余铝层，在获得高强度的同时大大提升了复合材料的延伸性，为实现复合材料强韧化设计提供了创新性设计思路和可行性技术手段。

[0031] 本发明提供了上述技术方案所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0032] (1)将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠，得到复合材料；

[0033] (2)将所述步骤(1)得到的复合材料进行真空热压，得到含残余铝的金属间化合物层状复合材料。

[0034] 本发明将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠，得到复合材料。

[0035] 在本发明中，所述TC4箔的材质优选为Ti‑6Al‑4V；所述TC4箔的厚度优选为140～160μm，更优选为150μm；所述Al箔的材质优选为工业纯铝，更优选为1060Al；所述Al箔的厚度优选为140～160μm，更优选为150μm。本发明对所述TC4箔和Al箔的长度和宽度没有特殊的限定，根据所需复合材料的尺寸来确定即可。本发明对所述TC4箔和Al箔的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明采用上述原料制备复合材料，来源广泛且无毒环保，同时可以使复合材料的制备以较低的温度进行，能耗较低，成本较低，制备过程简单高效且无污染；通过控制TC4箔和Al箔的厚度，可以控制Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料中TC4层、Al层和金属间化合物层的厚度。

[0036] 交替堆叠前，本发明优选对所述TC4箔和Al箔进行清洗。在本发明中，所述清洗的方式优选为：将TC4箔和Al箔浸入到含5vol％氢氟酸和5vol％氢氧化钠的混合溶液中30s，然后在乙醇中超声清洗5min，最后干燥。本发明通过上述工艺可以去除TC4箔和Al箔的表面污染物和氧化物。

[0037] 在本发明中，所述将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠优选为TC4箔‑Al箔‑TC4箔······‑Al箔‑TC4箔。本发明通过将TC4箔和Al箔交替堆叠，可以保证TC4箔位于复合材料的两侧，从而保证其性能，并在后续真空热压的时候能够在TC4层和Al层之间都形成金属间化合物层。

[0038] 得到复合材料后，本发明将所述复合材料进行真空热压，得到含残余铝的金属间化合物层状复合材料。在本发明中，所述复合材料为含残余铝的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料。

[0039] 本发明对所述真空热压所用的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售设备即可。

[0040] 在本发明中，所述真空热压的真空度优选≤10‑3Pa。本发明通过控制真空热压的真空度，可以去除大部分的空气，从而避免在热压过程中引入氧等杂质。

[0041] 在本发明中，所述真空热压的操作优选为：在3～5MPa的压力下以5～8℃/min的升温速度升温至500～550℃并保温保压90～180min，然后将压力减小至2～2.5MPa，随后将温度升高到600～655℃并保温保压180～240min，接着将温度调整到400～450℃，压力减小至1～1.5MPa，并保温保压60～120min，最后随炉冷却至室温；更优选为：在4MPa的压力下以5℃/min的升温速度升温至550℃并保温保压120min，然后将压力减小至2.4MPa，随后将温度升高到610～650℃并保温保压200min，接着将温度调整到450℃，压力减小至1.2MPa，并保温保压90min，最后随炉冷却至室温。本发明通过控制真空热压的具体操作，可以巧妙地在Ti‑6Al‑4V层和金属间化合物层之间引入残余铝层，通过在600～655℃的范围内进行保温保压，并调控其温度，可以调控调节复合材料中的残余铝含量，从而在获得高强度的同时大大提升了复合材料的延伸性。

[0042] 本发明所使用的原材料Ti‑6Al‑4V箔和Al箔来源广泛且无毒环保，制备过程在真空热压炉中以较低的温度进行，成本较低、能耗较低、制备过程简单高效且无污染。

[0043] 本发明还提供了上述技术方案所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的含残余铝的金属间化合物层状复合材料在航空航天和装甲防护领域中的应用。

[0044] 本发明对所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料在航空航天和装甲防护领域中应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的应用方式即可。

[0045] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0046] 实施例1

[0047] 一种含残余铝的金属间化合物层状复合材料，组成为8个TC4层、7个Al层和14个金属间化合物层；所述TC4层为Ti‑6Al‑4V层；所述金属间化合物层为Al3Ti层；

[0048] 所述TC4层和Al层交替排布，所述金属间化合物层位于TC4层和Al层的中间；所述TC4层的厚度独立地为129.5μm；所述Al层的厚度独立地为119.4μm；所述金属间化合物层的厚度独立地为23.2μm；

[0049] 所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料的制备方法，具体为以下步骤：

[0050] (1)将TC4箔和Al箔浸入到含5vol％氢氟酸和5vol％氢氧化钠的混合溶液中30s，然后在乙醇中超声清洗5min，最后干燥；接着将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠，得到复合材料；所述TC4箔的材质为Ti‑6Al‑4V；所述TC4箔的厚度为150μm；所述Al箔的材质为1060Al；所述Al箔的厚度为150μm；所述将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠为TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔；

[0051] (2)将所述步骤(1)得到的复合材料进行真空热压，得到含残余铝的金属间化合物‑3层状复合材料；所述真空热压的真空度为10 Pa；所述真空热压的操作为：在4MPa的压力下以5℃/min的升温速度升温至550℃并保温保压120min，然后将压力减小至2.4MPa，随后将温度升高到600℃并保温保压200min，接着将温度调整到450℃，压力减小至1.2MPa，并保温保压90min，最后随炉冷却至室温。

[0052] 实施例1制备得到的含残余铝的金属间化合物层状复合材料的结构示意图如图1所示。由图1可以看出，本发明提供的复合材料中，Ti‑6Al‑4V层和Al层交替排布，同时金属间化合物层Al3Ti位于Ti‑6Al‑4V层和Al层的中间。

[0053] 实施例1在制备含残余铝的金属间化合物层状复合材料时真空热压的温度和压力随时间的变化曲线如图2所示。

[0054] 采用扫描电子显微镜对实施例1提供的含残余铝的金属间化合物层状复合材料进行观察，得到的截面SEM显微图像如图3所示。由图3可以看出，复合材料中Ti‑6Al‑4V层、铝层和金属间化合物层结合紧密，层厚均匀。此外，Ti‑6Al‑4V层、铝层和金属间化合物层的厚度分别为129.5μm、119.4μm和23.2μm。

[0055] 对实施例1提供的复合材料的力学性能进行测试，测试方法为：拉伸试验参照《GB/T 228.1‑2021金属材料，拉伸试验，第1部分：室温试验方法》。轴向拉伸位移加载速率为0.2mm/min，垂直于层压方向的抗拉强度为601MPa，极限应变为4.6％，与现有技术提供的复合材料相比，其综合力学性能得到显著提升。

[0056] 实施例2

[0057] 一种含残余铝的金属间化合物层状复合材料，组成为8个TC4层、7个Al层和14个金属间化合物层；所述TC4层为Ti‑6Al‑4V层；所述金属间化合物层为Al3Ti层；

[0058] 所述TC4层和Al层交替排布，所述金属间化合物层位于TC4层和Al层的中间；所述TC4层的厚度独立地为124.8μm；所述Al层的厚度独立地为80.7μm；所述金属间化合物层的厚度独立地为47.8μm；

[0059] 所述含残余铝的金属间化合物层状复合材料的制备方法，具体为以下步骤：

[0060] (1)将TC4箔和Al箔浸入到含5vol％氢氟酸和5vol％氢氧化钠的混合溶液中30s，然后在乙醇中超声清洗5min，最后干燥；接着将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠，得到复合材料；所述TC4箔的材质为Ti‑6Al‑4V；所述TC4箔的厚度为150μm；所述Al箔的材质为1060Al；所述Al箔的厚度为150μm；所述将TC4箔和Al箔从下至上交替堆叠为TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔‑Al箔‑TC4箔；

[0061] (2)将所述步骤(1)得到的复合材料进行真空热压，得到含残余铝的金属间化合物‑3层状复合材料；所述真空热压的真空度为10 Pa；所述真空热压的操作为：在4MPa的压力下以5℃/min的升温速度升温至550℃并保温保压120min，然后将压力减小至2.4MPa，随后将温度升高到610℃并保温保压200min，接着将温度调整到450℃，压力减小至1.2MPa，并保温保压90min，最后随炉冷却至室温。

[0062] 实施例2制备得到的含残余铝的金属间化合物层状复合材料的结构示意图如图1所示。由图1可以看出，本发明提供的复合材料中，Ti‑6Al‑4V层和Al层交替排布，同时金属间化合物层位于Ti‑6Al‑4V层和Al层的中间。

[0063] 实施例2在制备含残余铝的金属间化合物层状复合材料时真空热压的温度和压力随时间的变化曲线如图4所示。

[0064] 采用扫描电子显微镜对实施例2提供的含残余铝的金属间化合物层状复合材料进行观察，得到的截面SEM显微图像如图5所示。由图5可以看出，复合材料中Ti‑6Al‑4V层、铝层和金属间化合物层结合紧密，层厚均匀。此外，Ti‑6Al‑4V层、铝层和金属间化合物层的厚度分别为124.8μm、80.7μm和47.8μm。

[0065] 通过实施例1和实施例2的对比可以看出，通过控制真空热压过程中的温度在600～655℃的范围内进行调整，可以调控调节复合材料中的残余铝含量，从而在获得高强度的同时大大提升了复合材料的延伸性。

[0066] 对实施例2提供的复合材料的力学性能进行测试，测试方法同实施例1，轴向拉伸位移加载速率为0.2mm/min，垂直于层压方向的抗拉强度为640MPa，极限应变为3.6％，相比与现有技术中的复合材料，综合力学性能得到显著提升。

[0067] 对比例1

[0068] 一种不含残余Al的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料的制备方法，出自Lyu等人(Lyu S,SunY,et al.,Effect oflayer sequence onthe mechanical properties ofTi/TiAl laminates[J].Materials&Design,2018,143:160‑168./)，具体为以下步骤：

[0069] (1)先将Ti箔和Al箔分别去除表面氧化层，然后用丙酮溶液冲洗30min，接着将Ti箔和Al箔从下至上交替堆叠，得到复合材料；所述Ti箔的厚度为90μm；所述Al箔的材质为1060Al；所述Al箔的厚度为27μm；所述Ti箔的层数为50层，Al箔的层数为49层；所述将Ti箔和Al箔从下至上交替堆叠为Ti箔‑Al箔‑Ti箔‑Al箔‑Ti箔‑......‑Al箔‑Ti箔；

[0070] (2)将所述步骤(1)得到的复合材料在50MPa压力和500℃预烧结30min，然后在900℃无压力条件下预处理30min，使Al完全消耗，最后在50MPa和1000℃下保持60min，从而获得不含残余Al的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料。

[0071] 对比例1制备的不含残余Al的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料进行观察可知，复合材料中Ti箔的单层厚度为65μm，Al3Ti金属间层的单层厚度为23μm，对复合材料的力学性能进行测试，轴向拉伸位移加载速率为0.2mm/min，结果可知，复合材料垂直于层压方向的抗拉强度为752MPa，极限应变为3.3％，与实施例1进行比较可知，实施例1得到的含残余铝的金属间化合物层状复合材料虽然由于残余Al的存在导致抗拉强度有所降低，但是抗拉强度仅损失了25％，但是相对的，复合材料的极限应变却增加了39％。因此实施例1与对比例1相比综合力学性能有明显提升。

[0072] 对比例2

[0073] 所述步骤(1)中所述Ti箔的厚度为90μm，Al箔的厚度为54μm，其他条件和对比例1相同。

[0074] 对比例2制备的不含残余Al的Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料进行观察可知，复合材料中Ti箔的单层厚度为63μm，Al3Ti金属间层的单层厚度为49μm，对复合材料的力学性能进行测试，轴向拉伸位移加载速率为0.2mm/min，结果可知，复合材料的抗拉强度为606MPa，极限应变为1.8％，与实施例2相比，对比例2提供的复合材料的抗拉强度和极限应变明显低于实施例2，说明本发明的技术方案可以显著提高复合材料的综合性能。

[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。