鈦鋼復(fù)合板加工技術(shù)及其在船海工程中的應(yīng)用

胡 杰，謝 榮，杜訓(xùn)柏

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京 211170)

鈦鋼復(fù)合板加工技術(shù)及其在船海工程中的應(yīng)用

胡 杰，謝 榮，杜訓(xùn)柏

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 南京 211170)

介紹了鈦鋼復(fù)合板的主要加工技術(shù)，包括爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、爆炸+軋制復(fù)合法和擴(kuò)散復(fù)合法，總結(jié)了各種加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，討論了采用軋制復(fù)合法生產(chǎn)鈦鋼復(fù)合板的關(guān)鍵工藝，認(rèn)為由于節(jié)約成本、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，軋制復(fù)合法將成為主流的鈦鋼復(fù)合板加工方式，并闡明了鈦鋼復(fù)合板在船舶及海洋工程中的應(yīng)用及發(fā)展前景。

鈦鋼復(fù)合板；加工技術(shù)；軋制復(fù)合；船海工程

0 引言

鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是船舶及海洋工程的理想材料，被譽(yù)為“海洋金屬”，但缺點(diǎn)是成本較高。鈦鋼復(fù)合板是一種以鋼為基體、單面或雙面包覆鈦的高效節(jié)能復(fù)合材料，它能夠充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)勢(shì)，既具有鈦的耐蝕性，又具有鋼材作為結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和塑性，延長(zhǎng)了材料的使用壽命，同時(shí)又降低了成本。另外，鈦鋼復(fù)合板是一種環(huán)保型材料。在海水及腐蝕性溶液或氣體中，由于表面形成穩(wěn)定的氧化膜，所以鈦及鈦合金不會(huì)因腐蝕或侵蝕而導(dǎo)致金屬離子泄露帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。本文介紹了鈦鋼復(fù)合板的加工技術(shù)，分析了軋制復(fù)合鈦鋼多合板的關(guān)健工藝,并展望了該復(fù)合板在船舶與海洋工程中的應(yīng)用及發(fā)展前景。

1 鈦鋼復(fù)合板加工技術(shù)

目前，鈦鋼復(fù)合板加工技術(shù)主要有：爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、爆炸+軋制復(fù)合法和擴(kuò)散復(fù)合法[1]。

1.1 爆炸復(fù)合法

爆炸復(fù)合法又稱(chēng)為爆炸焊接，在該技術(shù)中，炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生巨大能量，產(chǎn)生的沖擊和摩擦使金屬表面的氧化膜破碎并清除，露出新鮮的金屬表面，爆炸產(chǎn)生的高壓脈沖使2種金屬高速撞擊產(chǎn)生塑性變形、熔化而焊接在一起。

韓麗青等[3]采用爆炸復(fù)合法加工了TA2/316L復(fù)合板，復(fù)合板剪切強(qiáng)度值為215 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了ASTM A-264中的最小值140 MPa。翟偉國(guó)等[4]運(yùn)用爆炸復(fù)合法制備了TA2/Q345復(fù)合板，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度為483 MPa，剪切強(qiáng)度為223 MPa，滿(mǎn)足實(shí)際工程需要；結(jié)合界面呈波狀結(jié)合，且未發(fā)現(xiàn)脆硬的金屬間化合物生成。張?jiān)脚e等[5]對(duì)鈦鋼復(fù)合板爆炸復(fù)合的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行了研究，指出獲得高強(qiáng)度結(jié)合和規(guī)則界面鈦鋼復(fù)合板的條件是動(dòng)態(tài)碰撞角大于17°，動(dòng)態(tài)碰撞速度大于760 m/s。韓小敏等[6]對(duì)TA10鈦合金和Q345R鋼進(jìn)行了爆炸復(fù)合，復(fù)合板的結(jié)合界面為波狀結(jié)合，界面局部區(qū)域存在少量的Ti-Fe金屬間化合物，但并未對(duì)其性能產(chǎn)生較大的不利影響。

爆炸復(fù)合法工藝及設(shè)備簡(jiǎn)便，能源豐富，成本低廉,適用范圍廣，幾乎可以實(shí)現(xiàn)任意金屬的連接。此外,用這種方法制成的復(fù)合板具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，還具有優(yōu)良的再加工性能。爆炸復(fù)合法也存在一些問(wèn)題和缺點(diǎn)，如爆炸復(fù)合加工機(jī)械化程度低、勞動(dòng)條件差。此種方法加工的復(fù)合板存在界面結(jié)合強(qiáng)度不均勻等缺陷，且爆炸時(shí)產(chǎn)生的噪音、振動(dòng)和污染對(duì)周?chē)h(huán)境造成破壞。

1.2 軋制復(fù)合法

熱軋復(fù)合法是將復(fù)材和基材重疊組裝成待軋板坯，并將板坯四周焊接，然后進(jìn)行軋制，使復(fù)材與基材結(jié)合在一起。真空熱軋是在真空中進(jìn)行的，復(fù)層與基層材料在壓力和溫度下發(fā)生塑性變形，破除表面氧化膜，并形成連接的方法，在真空中進(jìn)行軋制，可以阻止金屬結(jié)合表面生成有害的氧化物和氮化物。保護(hù)氣氛軋制復(fù)合技術(shù)，又稱(chēng)CA復(fù)合技術(shù)，是從加熱到復(fù)合軋制的整個(gè)過(guò)程，對(duì)金屬帶進(jìn)行嚴(yán)密的氣氛保護(hù)，從而杜絕復(fù)合界面氧化層的產(chǎn)生。

Saboktakin等[7]采用銅作為中間層，在850 ℃溫度下用熱軋的方法生產(chǎn)了結(jié)合強(qiáng)度良好的鈦鋼復(fù)合板。王光磊等[8]利用熱模擬試驗(yàn)研究了加熱溫度對(duì)熱軋復(fù)合TA2純鈦/304L不銹鋼板結(jié)合性能的影響，指出加熱溫度為850 ℃時(shí)，鈦鋼復(fù)合板熱模擬試樣可達(dá)到最佳的結(jié)合性能，界面剪切強(qiáng)度達(dá)到215 MPa。

軋制復(fù)合法生產(chǎn)的鈦鋼復(fù)合板具有制品表面質(zhì)量好，尺寸自由度大，尺寸精度高，生產(chǎn)率和成品率高，環(huán)境污染小。該方法非常適合加工薄覆層、大面積的復(fù)合板，符合鈦鋼復(fù)合板的發(fā)展趨勢(shì)。但也存在需進(jìn)一步改善和研究的方面，如界面狀況、結(jié)合強(qiáng)度、軋制后的熱處理工藝、中間層材料等。

1.3 爆炸+軋制復(fù)合法

爆炸+軋制復(fù)合法就是先利用爆炸復(fù)合法制成厚的復(fù)合板坯，再按照不同的條件和要求，將復(fù)合板坯熱軋或冷軋成所需要尺寸復(fù)合板的方法。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及制造業(yè)的快速發(fā)展，鈦鋼復(fù)合板的應(yīng)用朝著大面積、薄覆層方向發(fā)展。若采用爆炸復(fù)合法生產(chǎn)覆層厚度小于2 mm、板寬大于2 m、長(zhǎng)度大于6 m的鈦鋼復(fù)合板，由于受工藝技術(shù)限制，成品率低，沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而采用爆炸+軋制復(fù)合或軋制復(fù)合的方法可以滿(mǎn)足這一要求，拓寬復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域。

王敬忠等[9]采用爆炸+軋制法制備了以工業(yè)純鐵為夾層材料的鈦鋼復(fù)合板，指出在550～650 ℃退火會(huì)使復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度略微升高。江海濤等[10]研究了熱處理工藝對(duì)爆炸+軋制復(fù)合板的影響，指出850 ℃及以下溫度熱處理時(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)層形成的TiC使剪切強(qiáng)度緩慢下降。850 ℃以上熱處理時(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)層形成的大量Ti-Fe金屬間化合物及少量TiC使剪切強(qiáng)度明顯下降。

爆炸+軋制復(fù)合法綜合了爆炸法及軋制法的優(yōu)點(diǎn)，采用此方法制成的鈦鋼復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度介于爆炸法和軋制法之間，且適用于生產(chǎn)大面積、薄復(fù)層的鈦鋼復(fù)合板，但仍然不能避免爆炸復(fù)合法環(huán)境污染等缺點(diǎn)。

1.4 擴(kuò)散復(fù)合法

擴(kuò)散復(fù)合法是通過(guò)把2種材料加熱到一定溫度以后再加壓，靠原子擴(kuò)散使其結(jié)合的方法。但是，擴(kuò)散過(guò)程非常耗時(shí)，所以通過(guò)此種方法只能加工小尺寸、結(jié)合強(qiáng)度較低的產(chǎn)品。擴(kuò)散復(fù)合法不適合鈦鋼復(fù)合板的工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

由于大能力軋機(jī)的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，爆炸復(fù)合法和擴(kuò)散復(fù)合法這2種方法呈現(xiàn)出被淘汰的趨勢(shì)。爆炸+軋制復(fù)合法和軋制復(fù)合法能生產(chǎn)大尺寸的鈦鋼復(fù)合板，但爆炸+軋制復(fù)合法工序復(fù)雜，影響因素多，且成材率相對(duì)低、能量消耗大，污染環(huán)境，有被軋制復(fù)合法取代的趨勢(shì)。隨著軋機(jī)能力以及對(duì)產(chǎn)品要求的不斷提高，采用軋制復(fù)合法制備鈦鋼復(fù)合板必將成為主流趨勢(shì)。

2 軋制復(fù)合鈦鋼復(fù)合板關(guān)鍵工藝

盡管軋制復(fù)合法制備鈦鋼復(fù)合板有很多優(yōu)點(diǎn)，但是該項(xiàng)技術(shù)仍存在許多關(guān)鍵問(wèn)題。軋制復(fù)合法包括基板和復(fù)板及中間層的準(zhǔn)備、隔離材料的選擇、表面處理、組料方式、加熱、軋制、熱處理、矯平處理等多個(gè)工序[11]。以下列舉了一些軋制復(fù)合法制備鈦鋼復(fù)合板需注意的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 板坯組裝及真空密封處理

板坯組裝工序是軋制復(fù)合鈦鋼板工藝中的關(guān)鍵工序。厚度小于50 mm的鈦鋼復(fù)合板，由于基層鋼材和復(fù)層鈦合金的變形抗力不同，所以軋制時(shí)復(fù)合板會(huì)產(chǎn)生彎曲。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用對(duì)稱(chēng)軋制法進(jìn)行軋制，板坯組裝如圖1所示[11]。將2組材料組合對(duì)稱(chēng)疊放在一起，中間以隔離劑進(jìn)行隔離，四周用檔條進(jìn)行密封焊接，然后進(jìn)行軋制。這種組料方式可以避免因2種金屬變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的復(fù)合板翹曲，從而可以提高效率和復(fù)合板的質(zhì)量。

圖1 軋制鈦鋼復(fù)合板板坯組裝示意圖

由于軋制金屬表面易和氧、氮等生成化合物， 在軋制時(shí)會(huì)對(duì)復(fù)合板的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，在軋制之前，把組裝的板坯抽成真空， 并且在鈦與鋼接觸面放置中間夾層金屬，以防止鈦和鋼接觸面化合物的生成，使兩者界面能順利地貼合。

2.2 中間層和隔離材料的選擇

鈦鋼復(fù)合板界面易生成TiC和Ti-Fe等脆性金屬間化合物，在鈦的轉(zhuǎn)變溫度以下，主要是鋼中的碳元素向鈦側(cè)擴(kuò)散，生成TiC；在鈦的相轉(zhuǎn)變溫度以上，碳元素在鋼中的溶解量增加，這時(shí)主要是鈦與鐵互相擴(kuò)散，生成FeTi、Fe2Ti等脆性相，使鈦鋼復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等性能惡化，影響鈦鋼復(fù)合板的質(zhì)量。因此，在鈦與鋼界面之間需放置1種材料作為中間層，阻止鈦的擴(kuò)散及鈦和鐵的互相擴(kuò)散。常用的中間層材料有鎳、鈮、銅、銀等[12]，但是這些材料比較貴重。為了節(jié)約成本，也可采用含碳量極低的工業(yè)純鐵、不銹鋼等作為中間層[13]。

在對(duì)稱(chēng)軋制過(guò)程中，為了防止上下復(fù)板之間粘合和表面起皺，通常需要在復(fù)板的背靠面上涂刷隔離材料。常用的隔離劑有滑石粉、Al2O3、SiO2等[11]。隔離劑的選擇和涂刷厚度對(duì)復(fù)合板的表面質(zhì)量有很大影響。若隔離劑涂刷得太薄，復(fù)板之間由于軋制受力和熱作用容易粘結(jié)在一起，不易分離；若隔離劑涂刷太厚，則會(huì)導(dǎo)致復(fù)板表面產(chǎn)生皺紋，影響外觀質(zhì)量。

2.3 低速高變形軋制工藝

選擇低速高變形的軋制工藝是軋制復(fù)合法的關(guān)鍵工藝之一。大的壓下量可以使金屬產(chǎn)生足夠的塑性變形，消除結(jié)合界面空隙，從而改善結(jié)合強(qiáng)度。日本NKK公司采用低速高形變軋制工藝生產(chǎn)的鈦鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度達(dá)到了185 MPa，高于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)規(guī)定的 140 MPa，而采用常規(guī)軋制工藝生產(chǎn)的鈦鋼復(fù)合板剪切強(qiáng)度均低于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值(140 MPa)。Jiang等[14]通過(guò)優(yōu)化對(duì)稱(chēng)軋制工藝，采用大壓下量制備的鈦鋼復(fù)合板，剪切強(qiáng)度達(dá)到了303 MPa。

3 鈦鋼復(fù)合板在船舶與海洋工程中的應(yīng)用

3.1 船舶工程領(lǐng)域

目前，鈦及鈦合金已成功用于我國(guó)各類(lèi)潛艇、水面艇、民用船、深潛器等。鈦合金在艦船上主要用來(lái)制造耐壓殼體、熱交換器、冷凝器、核反應(yīng)堆外殼以及配套管道系統(tǒng)。俄羅斯建造了一系列鈦殼體核動(dòng)力潛艇(如Alfa級(jí)、Sierra級(jí)、Mike級(jí)核潛艇等)。美國(guó)在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦的上層建筑區(qū)及CVN航母甲板上大量使用了鈦。日本研制開(kāi)發(fā)了“Titan lady”號(hào)全鈦游艇、“Aki Ma Ru”號(hào)全鈦捕魚(yú)船等民用船只，具備質(zhì)量輕、速度快、不需要表面涂層、附著物容易清理等一系列優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)采用鈦合金建造的 “蛟龍?zhí)枴鄙詈］d人潛水器，創(chuàng)造了下潛7 062 m的中國(guó)載人深潛紀(jì)錄。與國(guó)外相比，我國(guó)艦船用鈦起步晚，規(guī)模小，鈦合金生產(chǎn)制造成本高，應(yīng)用十分有限。另外，艦船裝備用鈦尚未建立完整的體系，很大程度上限制了其使用范圍。由于發(fā)展船舶及海洋工程材料的重要性和迫切性，鈦鋼復(fù)合板在船舶工程領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿?，我?guó)需進(jìn)一步加快艦船用鈦鋼復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用步伐，以提升我國(guó)艦船的發(fā)展水平。此外，鈦鋼復(fù)合板還廣泛應(yīng)用于各類(lèi)船舶熱交換器和以海水為冷卻介質(zhì)的濱海電站凝汽器等。

3.2 海洋工程領(lǐng)域

鈦鋼復(fù)合板在海洋土木領(lǐng)域作為鋼構(gòu)造物的防蝕材也開(kāi)始使用。日本大力開(kāi)發(fā)鈦鋼復(fù)合板技術(shù)，采用連續(xù)熱軋制造的鈦鋼復(fù)合薄板作為海洋鋼構(gòu)造物的襯里，應(yīng)用于海洋領(lǐng)域。日本還成立了超大型浮式海洋構(gòu)筑物技術(shù)研究小組，對(duì)耐用100 a的超大型浮式海洋構(gòu)筑物進(jìn)行研究試驗(yàn)，其中鈦材成為首選材料。海洋建筑物的易腐蝕部分采用鈦鋼復(fù)合板作為防蝕材料，或用鈦薄板包覆易腐蝕部位。隨著鈦鋼復(fù)合板制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，目前開(kāi)發(fā)的鈦鋼復(fù)合板制造成本可以與不銹鋼成本相競(jìng)爭(zhēng)。日本位于橫須賀的超大型浮式海洋構(gòu)筑物中, 鈦鋼復(fù)合板材應(yīng)用于海水飛沫沖刷處，有很好的耐蝕作用。

鈦鋼復(fù)合板也應(yīng)用于其他大型浮式海洋構(gòu)筑物，如海上機(jī)場(chǎng)、發(fā)電廠、港灣物流基地、海上緊急避難所、海上娛樂(lè)設(shè)施、原油和天然氣貯存基地等。

3.3 海水淡化領(lǐng)域

地球上淡水資源不足，并且水資源分布不均。目前，世界上有許多嚴(yán)重缺水國(guó)家，如埃及、新加坡、阿聯(lián)酋等，此外，還有100多個(gè)國(guó)家有不同程度的缺水。中國(guó)也是世界上的貧水國(guó)之一，且水資源分布不均。再過(guò)幾十年，淡水資源會(huì)越來(lái)越匱乏，全球整個(gè)淡水資源不容樂(lè)觀。所以，未來(lái)幾十年國(guó)際海水淡化市場(chǎng)將有無(wú)比巨大的商機(jī)。由于優(yōu)異的耐海水腐蝕性能和抗沖刷性能以及無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，因而鈦是海水淡化領(lǐng)域設(shè)備的理想材料，這必將掀起鈦鋼復(fù)合板的應(yīng)用高潮。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鈦鋼復(fù)合板的各種生產(chǎn)技術(shù)已日趨成熟。由于熱軋復(fù)合法是一種效率高、節(jié)約成本且對(duì)環(huán)境友好的生產(chǎn)技術(shù)，目前大多數(shù)鈦鋼復(fù)合板的生產(chǎn)都采用熱軋復(fù)合法進(jìn)行加工，許多圍繞鈦鋼復(fù)合板的科學(xué)研究和試驗(yàn)也在不斷開(kāi)展。海洋工程先進(jìn)材料是實(shí)現(xiàn)海洋戰(zhàn)略的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，鈦鋼復(fù)合板是船舶及海洋工程裝備建造的理想金屬材料，在船舶及海洋工程領(lǐng)域中有著十分廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，從而為推進(jìn)海洋強(qiáng)軍、海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)作貢獻(xiàn)。

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2016-10-08

胡杰(1981—)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程制造。

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