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Ti/Al3Ti金属层状复合材料是由金属Ti和金属间化合物Al3Ti交替铺叠复合而成的新型复合材料,具有低密度、高强度、高模量和超高吸能防护等性能,在装甲防护领域具有显著的应用前景。目前,Ti/Al3Ti金属层状复合材料的主要制备方法有热压烧结法,且所制备的金属层状复合材料结构以平板结构为主,极大地限制了其工程应用。本文针对目前Ti/Al3Ti金属层状复合材料结构制造及应用过程中存在的问题,提出了高强韧Ti/Al3Ti金属层状复合材料曲面结构制造的工艺方法:超声固结+热成形+原位反应的工艺路线。通过理论分析、实验研究与数值模拟相结合的手段,系统研究了该工艺路线中的技术关键及相关的机理。采用超声固结技术制备出了 Ti/Al复合板,研究结果表明,Ti/Al界面结合强度随着超声压力的增加,先增大后减小,随着振幅的增大单调递增,在超声压力为2.0kN、振幅为35μm的条件下,获得了最佳的超声固结界面,其剥离强度为58.08 N/cm。超声固结过程中Ti/Al界面发生了剧烈的塑性变形,产生了晶粒细化的现象,Ti/Al界面一部分形成了冶金结合,另一部分形成了机械咬合,在Ti/Al界面处的Al晶粒内部发现了Ti元素,证实了在超声固结过程中发生了 Ti元素向Al箔材中的扩散现象。采用原位反应试验与数值模拟的方法研究了 Ti/Al原位反应过程,研究结果表明,Ti/Al复合板原位烧结反应层中将形成不同的反应产物及缺陷,当反应温度较低时,反应产物仅为Al3Ti,在Al3Ti层中将会形成隧道裂纹或剥层裂纹,与反应时间有关;当反应温度较高时,反应产物将包括Al3Ti,Al2Ti,AlTi以及AlTi3,在反应层中将会形成孔洞缺陷。Ti/Al3Ti层状复合材料中的残余应力是拉压交替分布的,Ti层承受残余压应力,Al3Ti层承受残余拉应力,随着层数的增加,Ti层的最大压应力增加、Al3Ti层的最大拉应力降低。适量的Al层将改变复合材料中的残余应力分布,Al3Ti层将与Ti层同样承受压应力,并且随着Al层厚度的增加,压应力增加,这将有助于抑制原位反应过程中隧道裂纹的产生。利用室温压缩、霍普金森压杆及弹道试验研究了 Ti/Al3Ti金属层状复合材料的力学性能,研究结果表明,Ti/Al3Ti层状复合材料的力学性能与其原位烧结反应的工艺条件相关,半固态烧结反应的力学性能优于固态烧结反应与液态烧结反应,在660℃/3 h烧结条件下Ti/Al3Ti层状复合材料的力学性能达到最大值,准静态压缩强度达到1432 MPa,在应变速率2860 s-1条件下,动态压缩强度达到1735 MPa。通过打靶试验测试了 Ti/Al3Ti层状复合材料的弹道极限。研究结果表明,Ti/Al3Ti层状复合材料弹道极限V50约为509 m/s,其防护能力相当于Q235钢,但密度仅为Q235钢的41%,子弹侵彻后只形成了一个弹坑而没发生碎裂,具有抵御多发弹的能力。Ti/Al3Ti层状复合材料靶板失效过程中,Ti层失效模式主要分为两个部分,靶板前部的Ti层为局部拉伸和剪切失效,靶板背部的Ti层为花瓣状拉伸失效;Al3Ti层的破坏模式为应力波作用下的碎裂。应用拉伸试验研究了 Ti/Al复合板的变形行为,通过弯曲成形试验及原位反应试验探索了 Ti/Al3Ti金属层状复合材曲面结构的制备方法。研究结结果表明,Ti/Al复合板既是温度敏感型材料,也是速率敏感型材料,随着温度的升高、复合板的峰值应力降低,延伸率升高,随着应变速率的提高,复合板的峰值应力升高,延伸率升高,在550℃/0.003s-1的条件下,Ti/Al复合板的峰值应力为343.4MPa,延伸率为16.8%。通过Ti/Al复合板的弯曲成形数值模拟与试验研究了 Ti/Al复合板弯曲成形性能。研究结果表明,Ti/Al复合板弯曲成形性能与成形温度、成形压力以及保压时间相关,随着成形温度的升高、压力的增加以及保压时间的延长,Ti/Al复合板成形高度增加,成形精度显著提高,在成形温度550℃、成形压力20t、保压时间1min的条件下,Ti/Al复合板成形的回弹率为15%,Ti/Al复合板弯曲成形的贴模度达到-5mm。通过弯曲成形+原位反应过程制备出了Ti/Al3Ti层状复合材料曲面结构,各组分厚度均匀、Al3Ti层致密无缺陷,验证了工艺路线的可行性。