用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料及制备方法
阅读说明：本技术 用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料及制备方法 (Heat-insulating lubricating composite material for hot die forging of high-strength titanium alloy and preparation method thereof ) 是由 张光明 章友谊 蔺虹宾 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料,依次包括润滑层、保温层、隔热层和反射层,所述润滑层与模具接触,反射层与锻件接触；所述润滑层为石墨层,在模锻时润滑模具；所述保温层为气凝胶毡,在模锻时为锻件保温；所述隔热层为陶瓷纤维纸,降低传导到保温层的热量；所述反射层为铝箔,反射锻件的热辐射。还包括一种复合材料制备方法。采用本发明的用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料及制备方法,复合材料厚度薄、保温效果好,能够有效提高锻件质量。(The invention discloses a heat-insulating and lubricating composite material for hot die forging of a high-strength titanium alloy, which sequentially comprises a lubricating layer, a heat-insulating layer and a reflecting layer, wherein the lubricating layer is in contact with a die, and the reflecting layer is in contact with a forging piece; the lubricating layer is a graphite layer and is used for lubricating the die during die forging; the heat-insulating layer is made of aerogel felt and is used for insulating a forge piece during die forging; the heat insulation layer is made of ceramic fiber paper, so that heat conducted to the heat insulation layer is reduced; the reflecting layer is an aluminum foil and reflects the heat radiation of the forging. Also discloses a preparation method of the composite material. By adopting the heat-insulating lubricating composite material for the hot die forging of the high-strength titanium alloy and the preparation method thereof, the composite material is thin in thickness and good in heat-insulating effect, and the quality of a forged piece can be effectively improved.)
技术领域
本发明涉及用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料及制备方法，属于模锻技术领域。
背景技术
钛合金锻坯在锻前需要加热到一定温度以提高其塑性，降低变形抗力，防止金属在变形过程中出现裂纹等缺陷，但其加热温度上限不能超过钛合金相变温度，因为钛合金在相变点温度以上长时间保温时晶粒长大，机械性能降低，同时锻坯表面气体饱和度增加。另一方面，钛合金锻坯从高温炉移出到开始锻造需要一定的转移过渡时间，在此过程中锻坯表面温度降低较快。
对于属于近β钛合金的高强钛合金，一般采用准β锻造工艺，可通过压力加工与热处理结合的工艺获得优良的组织和综合性能，适用于制造飞机机身以及起落架结构中要求高断裂韧性的各种大型锻件。
研究表明，在其他条件一定时，提高准β锻造温度，可以大大增加高强钛合金锻件网篮组织的交织程度和疏密程度，使得合金的断裂韧性有很大改善。因此，加强高强钛合金准β锻造工艺过程中的保温研究非常关键。
目前在生产中广泛采用厚度达10mm的常规保温棉。这种较厚的保温棉一方面不利于锻坯在模膛中的摆料，另一方面往往会阻碍金属在模锻过程的流动，导致型腔充填不足等缺陷；成型过程中保温棉被压缩燃烧后剩下许多细小硬质颗粒，这种颗粒非但没有润滑作用，反而增大了摩擦使得成型压力急剧上升。
因此需要一种保温效果好，润滑性高、厚度薄的模锻保温材料。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料及制备方法，本发明复合材料厚度薄、保温效果好，能够有效提高锻件质量。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料，依次包括润滑层、保温层和反射层，所述润滑层与模具接触，反射层与锻件接触；
所述润滑层为石墨层，在模锻时润滑模具；
所述保温层为气凝胶毡，在模锻过程时为锻件保温；
所述反射层为铝箔，反射锻件的热辐射。
在本发明中，采用气凝胶毡作为保温层，气凝胶毡的导热系数超低，能够在模锻时为锻件有效保温，且在相同的保温效果下，使用气凝胶毡能够有效降低使用厚度，从而有利于提升锻件的质量；铝箔作为反射层能够有效反射锻件的热辐射，降低锻件的热损失，从而能够进一步加强隔热效果，保证模锻温度，同时铝箔具有较好的韧性，能够弯折适应复合材料铺在模具中的形状，并且铝箔熔点在660℃，在模锻时会熔融起到高温润滑锻件的作用，从而提高锻件的表面质量；石墨层作为润滑层，石墨摩擦系数低能够在模锻时润滑模具，同时气凝胶毡模锻时并不会像保温棉一样燃烧成颗粒阻碍润滑，从而降低成型载荷，延长模具与压力机的使用寿命。
通过气凝胶毡和铝箔防止锻件温度损失，降低高强钛合金锻坯的热损失，能提高其准β锻造温度，从而大大增加高强钛合金锻件网篮组织的交织程度和疏密程度，改善合金的断裂韧性。
一种用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料，依次包括润滑层、保温层、隔热层和反射层，所述润滑层与模具接触，反射层与锻件接触；
所述润滑层为石墨层，在模锻时润滑模具；
所述保温层为气凝胶毡，在模锻时为锻件保温；
所述隔热层为陶瓷纤维纸，降低传导到保温层的热量；
所述反射层为铝箔，反射锻件的热辐射。
在本发明中，气凝胶毡耐高温性能低于陶瓷纤维纸，在进行较高始锻温度锻造时，高温可能会破坏气凝胶毡结构从而导致气凝胶毡保温性能降低，影响模锻效果；在气凝胶毡和铝箔之间设置陶瓷纤维纸，陶瓷纤维纸具有隔热耐高温的作用，从而隔离部分传导到气凝胶毡的热，从而增强气凝胶毡的耐高温性能，从而复合材料能够应用于具有较高始锻温度的合金锻件，增加了复合材料的应用范围。
作为优选，所述保温层与润滑层之间设置纤维布作为过渡层。
在上述方案中，设置纤维布过渡，可以先将石墨层涂覆到纤维布上，在将纤维布粘到气凝胶上，从而方便复合材料制造。
作为优选，所述纤维布为玻璃纤维布或玄武岩纤维布。
作为优选，所述石墨层的厚度为50-100μm。
作为优选，所述气凝胶毡的厚度为3-4mm。
作为优选，所述保温润滑复合材料的厚度为3-5mm。
作为优选，所述铝箔的厚度为0.1-0.2mm。
在本发明中，能够控制保温润滑复合材料的厚度为3-5mm，仅为使用保温棉后的的1/3到1/2，降低厚度能够有利于金属在模锻过程的流动，从而有助于提高锻件的质量。
作为优选，所述石墨层以聚氨酯乳液为粘结剂将石墨粉粘连而成。
作为优选，所述石墨层由石墨膏涂料制得，按重量份计，石墨膏涂料包括：90-110份石墨粉、0.1-0.5份羧甲基纤维素钠浆、800-1000份水和20-50份水性聚氨酯乳液。
在上述方案中，水性聚氨酯乳液占涂料质量2-5％起粘结成膜的作用，水起到调整粘度的作用，羧甲基纤维素钠起增稠作用，石墨粉是有效作用成分。在本发明中选用水性聚氨酯乳液作为成膜物质，具有良好的柔韧性，制成保温复合材料时能够弯曲折叠以适应锻造模具的异型结构。相比丙烯酸酯类乳液作为成膜物质，其柔韧性差不能弯曲折叠，不能适应锻造模具的异型结构，在铺到模具内时石墨层会断裂粉碎。
一种用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤a：制备石墨膏涂料；
步骤b：将石墨膏涂料覆在气凝胶毡一侧；
步骤c：将铝箔或者单面覆有铝箔的陶瓷纤维纸粘在气凝胶毡的另一侧。
作为优选，所述石墨膏涂料的制备包括以下步骤：
步骤a1：将3-5份羧甲基纤维素钠溶解到100份水中，制得羧甲基纤维素钠浆；
步骤a2：按重量份计，将90-110份石墨粉、0.1-0.5份羧甲基纤维素钠浆、800-1000份水和20-50份水性聚氨酯乳液混合，搅拌均匀得到混合浆料；
步骤a3：将混合浆料置于球磨机中球磨，以400rpm-600rpm的速度球磨20min-40min，得到石墨膏涂料。
作为优选，步骤b中，石墨膏涂料先涂覆在纤维纸一侧，在将纤维纸另一侧通过柔性胶粘在气凝胶一侧。
作为优选，石墨膏涂料采用喷涂、刮涂或滚涂的方式涂覆在纤维纸一侧。
作为优选，步骤c中，陶瓷纤维纸通过柔性胶粘在气凝胶毡上。
与现有模锻工艺技术相比，在其他条件相同的情况下，采用本发明制备的复合材料可以将模锻成型载荷降低10％～30％，摩擦系数降低30％～50％，高强钛合金断裂韧性提高10％～15％。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、厚度薄，仅为使用保温棉厚度的1/3到1/2，有利于提高锻件质量；
2、导热系数低，能够降低锻坯的热损失，保证锻坯内外的温度均匀，提高锻件的锻造性能；
3、石墨层具有润滑锻造模具的效果，降低成型载荷，延长模具与压力机的使用寿命；
4、能够应用于具有较高始锻温度的合金锻件。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1-4是保温润滑复合材料的几种结构示意图。
图中标记：1-石墨层、2-气凝胶毡、3-铝箔、4-陶瓷纤维纸、5-纤维布。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图1所示，本实施例的用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料，依次包括润滑层、保温层和反射层，反射层；
润滑层为石墨层与模具接触，石墨层的厚度为75μm，在模锻时润滑模具；保温层为气凝胶毡，气凝胶毡的厚度为4mm，在模锻过程时为锻件保温；反射层为铝箔与锻件接触，铝箔的厚度为0.2mm，反射锻件的热辐射，防止热损失。
其制备方法包括以下步骤：
步骤a：制备石墨膏涂料：4份羧甲基纤维素钠溶解到100份水中，制得羧甲基纤维素钠浆；按重量份计，将100份石墨粉、0.3份羧甲基纤维素钠浆、900份水和35份水性聚氨酯乳液混合，搅拌均匀得到混合浆料；将混合浆料置于球磨机中球磨，以500rpm的速度球磨30min，得到石墨膏涂料；
步骤b：将石墨膏涂料喷涂到气凝胶毡一侧，干燥；
步骤c：将铝箔粘在气凝胶毡的另一侧，得到本发明的保温润滑复合材料。
本实施例中，将复合材料用于TC21高强钛合金的热模锻造中，其模锻件近表层试样断裂韧性K(IC)为84Pa·m1/2。
实施例2
如图2所示，本实施例的用于高强钛合金热模锻的保温润滑复合材料，依次包括润滑层、保温层、隔热层和反射层；
润滑层为石墨层与模具接触，石墨层的厚度为50μm，在模锻时润滑模具；保温层为气凝胶毡，气凝胶毡的厚度为3mm，在模锻过程时为锻件保温；隔热层为陶瓷纤维纸，陶瓷纤维纸的厚度为1.5mm，降低传导到保温层的热量反射层为铝箔与锻件接触，铝箔的厚度为0.15mm，反射锻件的热辐射，防止热损失。
其制备方法包括以下步骤：
步骤a：制备石墨膏涂料：3份羧甲基纤维素钠溶解到100份水中，制得羧甲基纤维素钠浆；按重量份计，将90份石墨粉、0.1份羧甲基纤维素钠浆、800份水和20份水性聚氨酯乳液混合，搅拌均匀得到混合浆料；将混合浆料置于球磨机中球磨，以400rpm的速度球磨40min，得到石墨膏涂料；
步骤b：将石墨膏涂料喷涂到气凝胶毡一侧，干燥；
步骤c：将铝箔粘在陶瓷纤维纸一侧，使用柔性胶将没有铝箔的陶瓷纤维纸一侧粘在气凝胶毡的另一侧，得到本发明的保温润滑复合材料。
本实施例中，将复合材料用于TC21高强钛合金的热模锻造中，其模锻件近表层试样断裂韧性K(IC)为87Pa·m1/2。
实施例3
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上，在石墨层和气凝胶毡之间设置玻璃纤维布。
在制备时，可以先将石墨层涂覆在纤维布上，再将玻璃纤维布使用柔性胶粘在气凝胶毡上即可，使用纤维布能够方便复合材料制造。
本实施例中，将复合材料用于TC21高强钛合金的热模锻造中，其模锻件近表层试样断裂韧性K(IC)为84MPa·m1/2。
实施例4
如图4所示，本实施例在实施例2的基础上，在石墨层和气凝胶毡之间设置玻璃纤维布。
在制备时，可以先将石墨层涂覆在纤维布上，再将玻璃纤维布使用柔性胶粘在气凝胶毡上即可，使用纤维布能够方便复合材料制造。
本实施例中，将复合材料用于TC21高强钛合金的热模锻造中，其模锻件近表层试样断裂韧性K(IC)为87MPa·m1/2。
对比例1
本对比例在实施例1的基础上，将石墨膏涂料中的水性聚氨酯乳液替换为水性聚丙烯酸酯乳液。
对比例1和实施例1中的保温复合材料相比，对比例1的保温复合材料柔韧性差，材料较硬较脆，将保温复合材料铺到模具中时，石墨层直接破裂粉碎，不能使用；而实施例1的保温复合材料铺到模具中没有该问题。
对比例2
本对比例采用10mm普通保温棉进行保温，用于TC21高强钛合金的热模锻造中，其模锻件近表层试样断裂韧性K(IC)为76MPa·m1/2；成型过程中保温棉被压缩燃烧后剩下许多细小硬质颗粒。
实施例1与对比例2相比，实施例1中高强钛合金近表层试样断裂韧性提高10.5％；实施例2与对比例2相比，实施例2中高强钛合金近表层试样断裂韧性提高14.5％；
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
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