真空熱軋連接技術(shù)及應(yīng)用

東彥宏 王碩 于漢臣 趙普 李燕霞 吳仕壕 閆久春

摘要： 許多異種金屬焊接結(jié)構(gòu)，由于材料本征屬性差異大，無法直接熔焊連接。利用真空熱軋制備異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)是工程適應(yīng)性最佳方案。文中介紹了真空制坯和真空無制坯兩種熱軋方法的技術(shù)原理及其研究現(xiàn)狀，并分析了兩種方法的技術(shù)差異。文中為異種金屬結(jié)構(gòu)連接提供了有效的途徑。

關(guān)鍵詞： 異種金屬復(fù)合板; 軋制連接; 真空； 工藝特點(diǎn)

中圖分類號： TG 456

0序言

在核動(dòng)力裝置、宇航、石油化工、娛樂及醫(yī)療等行業(yè)，需要兼有異種金屬優(yōu)良特性的材料連接件。例如隨著核反應(yīng)堆的不斷更新?lián)Q代，反應(yīng)堆中涉及到越來越多的異種金屬焊接結(jié)構(gòu)。直接熔化焊接異種金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，接頭容易產(chǎn)生大量脆性的金屬間化合物，冷卻過程中，在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。因此，異種金屬的焊接就成為了急需解決的問題。

目前，可用于異種金屬的非熔化焊接方法主要有釬焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊和軋制連接。

釬焊利用熔點(diǎn)比母材低的釬料作為填充材料，加熱到高于釬料熔點(diǎn)而低于母材熔點(diǎn)的溫度，依靠母材與熔化的釬料之間的冶金反應(yīng)完成連接。由于母材與釬料之間本征屬性大，在界面處生成金屬間化合物，使接頭變脆，并且釬料合金元素多，腐蝕性能差，限制其應(yīng)用；

爆炸焊接利用爆炸產(chǎn)生的高溫高壓，使得被焊金屬產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，界面緊密接觸而形成金屬鍵。但爆炸焊接的界面存在很多宏觀和微觀缺陷，這些缺陷將對后續(xù)加工和服役性能產(chǎn)生不利影響；

擴(kuò)散連接是在靜態(tài)壓力下依靠連接金屬原子擴(kuò)散來形成連接，固態(tài)下原子擴(kuò)散速度極為緩慢，不僅生產(chǎn)效率低，而且對構(gòu)件的尺寸也有較大的限制；

軋制連接是在軋制力的作用下使被焊金屬產(chǎn)生大變形，從而去除表面氧化膜及雜質(zhì)而形成連接。焊后接頭的組織和性能均勻，焊接時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，軋制連接的界面結(jié)合強(qiáng)度高。特別是在真空環(huán)境下的熱軋連接，軋制過程不受空氣氧化、氮化等影響，軋制連接接頭質(zhì)量高。真空熱軋連接主要用于連接面積較大的大厚度異種材料，是極具應(yīng)用前景的異種金屬連接技術(shù)[1-2]。

文中以鈦鋼復(fù)合板為例，介紹真空熱軋連接技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，再比較兩種真空熱軋連接的技術(shù)差異，加深對真空熱軋連接技術(shù)的認(rèn)識，為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1真空制坯熱軋連接技術(shù)

1.1技術(shù)原理

目前，真空制坯熱軋連接技術(shù)應(yīng)用廣泛，發(fā)明于上世紀(jì)末，由日本鋼鐵工程控股公司發(fā)明。其原理在于先將鈦板與鋼板封存于一個(gè)真空環(huán)境內(nèi)，為了防止軋制過程中因金屬延伸率不同導(dǎo)致翹曲變形，通常采用鋼板→鈦板→隔離劑→鈦板→鋼板的對稱方式順序組坯，組坯后再加熱進(jìn)行軋制實(shí)現(xiàn)連接。

為獲得預(yù)軋坯料的真空環(huán)境，通常使用真空電子束將組坯封焊，如圖1所示，也有采用先將組坯進(jìn)行封焊，然后再開口抽真空的方法，如圖2所示。真空制坯熱軋連接工藝相對成熟，多用于大板幅的復(fù)合板材的制造。

真空制坯熱軋連接本質(zhì)上屬于累積疊軋焊接，即通過累積多次軋制工序（5次以上）實(shí)現(xiàn)鈦-鋼的大壓下率下（一般壓下率＞80%）的塑性變形連接。

1.2研究現(xiàn)狀

東北大學(xué)[5]研究在對稱組坯真空電子束焊接的方式下，軋制接頭金屬間化合物的生成原理，探究提高軋制結(jié)合強(qiáng)度的工藝，在850～950 ℃條件下開展了純鈦鋼純鈦三層復(fù)合板真空軋制試驗(yàn)，通過5道軋制工序制備厚度為7 mm的鈦鋼復(fù)合板，總壓下率為90%。在900和950 ℃軋制溫度下， 界面層由連續(xù)的TiC薄層和β-Ti相組成， 且隨著軋制溫度的提高界面層厚度逐漸增加。真空熱軋復(fù)合鈦不銹鋼時(shí)[6]，所選軋制溫度為950 ℃，總壓下率為83%，每道次壓下率分別為 30%、30%、40%和40%。還開展了在800、850、900以及950 ℃條件下，通過真空軋制連接制備厚度為8 mm的鈦鋼復(fù)合板，其軋制過程的總壓下率為80%[7]。熱軋過程中隨著溫度的升高，金屬間化合物層的厚度增加，如圖3所示。界面剪切強(qiáng)度隨金屬間化合物厚度增加而減小，鈦鋼軋制復(fù)合后界面反應(yīng)相直接影響接頭的力學(xué)性能。東北大學(xué)與國內(nèi)鋼廠合作采用真空制坯軋制技術(shù)直接制備的鈦鋼復(fù)合板的板幅寬度達(dá)到 3.5 m，近復(fù)合界面Ti側(cè)界面生成連續(xù)的βTi層，鋼側(cè)組織主要為鐵素體＋珠光體，晶粒尺寸約為10～20 μm。經(jīng)能譜檢測，復(fù)合界面形成連續(xù)的TiC層，連續(xù)的化合物層影響了接頭的力學(xué)性能[8]。

北京科技大學(xué)[9]采用對稱組坯抽真空然后密封的方式，在840～930 ℃，總壓下率為80%，通過6次軋制工序，將30 mm厚鈦鋼坯料軋至6 mm鈦鋼復(fù)合板。研究表明，在870℃軋制復(fù)合板性能較優(yōu)；900 ℃和930 ℃軋制時(shí)，鈦合金發(fā)生相變，同時(shí)界面產(chǎn)生了許多金屬間化合物，鈦和鋼的抗變形能力相差過大和變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致界面附近內(nèi)應(yīng)力變大，這些因素都會導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。還研究了壓下率對鈦鋼復(fù)合板界面結(jié)構(gòu)的影響以及壓下率與接頭拉剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示，在軋制溫度為950 ℃下，一道次軋制壓下率為18%的鈦鋼接頭界面無反應(yīng)物；三道次軋制壓下率升至70%時(shí)，界面生成了TiFe化合物[10]。

2真空無制坯熱軋連接技術(shù)

2.1技術(shù)原理

真空無制坯熱軋連接起源于上世紀(jì)末的烏克蘭，該方法將被連接的材料放置到真空倉中，加熱到達(dá)設(shè)定溫度后，利用軋輥的軋制力使材料界面發(fā)生大變形，去除表面的氧化物及雜質(zhì)，暴露出新鮮的表面，在軋輥的壓力作用下新鮮的表面相互擠壓而形成連接。

真空無制坯熱軋連接的主要特點(diǎn)是在于整個(gè)過程中，試件的加熱、軋制、軋后的冷卻都是在真空室中進(jìn)行，無需對稱組坯，軋輥的軋制力直接作用在上下兩個(gè)板坯上，通過少數(shù)道次（1～2次）軋制，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)連接。

2.2研究現(xiàn)狀

哈爾濱工業(yè)大學(xué)[11]采用無制坯真空軋制連接的方法成功實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金與不銹鋼的高強(qiáng)度的連接，分別研究了無中間層、Cu、Ni、Nb中間層對界面結(jié)構(gòu)和接頭力學(xué)性能的影響。在利用純鈮作為中間層時(shí)，在軋制溫度800 ℃、壓下率為25%時(shí)，復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了430 MPa，采用純鎳作為中間層時(shí)，軋制溫度760 ℃，壓下率為20%時(shí)，復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到440 MPa。利用軋制復(fù)合板加工成鈦-鋼過渡接頭進(jìn)行焊接后，軋制界面未受到焊接熱影響，不明顯變化，過渡接頭的拉伸強(qiáng)度高于400 MPa。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)[12]為了避免鋁合金與鐵熔焊過程中產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，采用無制坯真空軋制連接的方法，提高界面的連接強(qiáng)度。采用實(shí)際測試以及理論計(jì)算的方式，分析無制坯真空軋制連接的影響因素，優(yōu)化鋁合金與鐵板的軋制工藝，兩次軋制有利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高而第三次軋制中，軋制接頭會產(chǎn)生大量的金屬間化合物，接頭強(qiáng)度下降。

3技術(shù)差異

3.1技術(shù)特點(diǎn)

兩種方法均能實(shí)現(xiàn)被軋制金屬的高強(qiáng)度連接。由于加熱時(shí)金屬不會被氧化，可用于活性金屬的軋制連接，是進(jìn)行鋁-鋼、鈦-鋼、鈮-鋼和鉬-鋼等異種金屬板材復(fù)合連接的理想手段，主要用于制備兩層金屬或多層金屬復(fù)合板[11-12]。熱軋連接過程中，還可以通過加入不同中間層，改變界面冶金反應(yīng)，提高被軋制金屬的界面結(jié)合性能[13-15]。

真空制坯熱軋連接技術(shù)一般是多道次軋制（通常為7次以上），總的壓下率比較大，增加了軋制的工藝難度。

真空無制坯熱軋連接通過少數(shù)道次軋制，總體下壓率小，對原來基體組織影響小。真空熱軋連接技術(shù)的特點(diǎn)使其可以實(shí)現(xiàn)大面積和大厚度的構(gòu)件的連接。焊接時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，焊后接頭的組織均勻，焊接質(zhì)量高[11]。

3.2應(yīng)用方向

真空熱軋連接技術(shù)制備異種金屬復(fù)合板，可用于跨海大橋的鋼樁、火力發(fā)電廠的煙囪、制鹽廠的制鹽裝置[16]和耐熱殼體、熱交換器、冷凝器[17]等船上設(shè)備，以及大型儲備容器[18]設(shè)備的制造。

由于真空無制坯熱軋連接壓下率較小，還能實(shí)現(xiàn)異種金屬厚板的軋制連接，在復(fù)合板上加工復(fù)合過渡管接頭，用于異種金屬管的過渡連接。

4結(jié)束語

文中報(bào)道了真空熱軋連接技術(shù)制備異種金屬復(fù)合板的原理及研究現(xiàn)狀，在軋制前預(yù)制真空環(huán)境，通過改變軋制溫度和壓下率等參數(shù)、填加或不填加中間層，可以實(shí)現(xiàn)異種金屬的高強(qiáng)度連接，為異種金屬復(fù)合板制備提供了可選的技術(shù)途徑。

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收稿日期： 2023-11-01東彥宏簡介： 主要從事異種金屬電弧焊、釬焊及軋制連接技術(shù)研發(fā)工作。