鈦鋼復(fù)合板的制備技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

攀枝花是著名的中國(guó)釩鈦之都，這里蘊(yùn)藏著豐富的釩鈦資源，其中釩資源儲(chǔ)量居全國(guó)第一、世界第四，鈦資源儲(chǔ)量居世界首位[1-3]。然而，攀枝花的鈦產(chǎn)業(yè)目前主要集中在附加值較低的鈦精礦、鈦白粉和海綿鈦等上游鈦原料產(chǎn)業(yè)，下游的鈦及鈦合金、鈦制品等仍處于起步發(fā)展階段，總體呈低端鈦材產(chǎn)能過剩，高端鈦產(chǎn)品太少的現(xiàn)象。如果單一進(jìn)行鈦合金及鈦材制造，一是技術(shù)上有瓶頸，同時(shí)在國(guó)內(nèi)也不能凸顯攀枝花的資源優(yōu)勢(shì)。再者，攀鋼是我國(guó)鋼鐵行業(yè)的明星企業(yè)，其生產(chǎn)的鋼軌、鋼板、鋼帶等產(chǎn)品種類繁多、性能優(yōu)良。因此，若將鈦與攀枝花本地的鋼材產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)合加工制備鈦鋼復(fù)合材料，既能發(fā)揮鈦資源獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，又能消化本地企業(yè)產(chǎn)品，降低成本，這將是攀枝花經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)。鑒于此，本文綜述了目前鈦鋼復(fù)合板生產(chǎn)制備的主流工藝技術(shù)，分析了各項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，指出了其未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 鈦鋼復(fù)合板的制備方法

1.1 軋制法

軋制復(fù)合法是在一定的高溫下，利用軋制時(shí)產(chǎn)生的高壓而使不同的金屬材料實(shí)現(xiàn)焊合的過程。按軋制溫度不同，軋制復(fù)合法可分成冷軋與熱軋。冷軋工藝較簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多種金屬板材的精密結(jié)合，但對(duì)軋機(jī)設(shè)備的性能要求較高。熱軋復(fù)合法是基板和復(fù)合板進(jìn)行疊加組坯，然后加熱到一定溫度后進(jìn)行軋制，在高溫高壓的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)基板和復(fù)合板的堅(jiān)固結(jié)合，是目前行業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)大面積鈦鋼復(fù)合板的主流技術(shù)[4]。

鈦鋼復(fù)合板軋制成型的工藝步驟主要為：①選擇適宜的基板、中間層、復(fù)板。

主要遵循以下3個(gè)原則：一是抑制碳和鐵的相互擴(kuò)散，二是實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，三是為了提升現(xiàn)有設(shè)備的加工能力。②選擇合適的隔離材料。對(duì)稱軋制時(shí)，在復(fù)板的背面涂刷一層厚度為10～35μm的隔離材料，避免復(fù)板的背面粘合和表面起皺。常用的隔離材料主要有三氧化二鉻、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鐵、二氧化硅、水玻璃等。③表面處理。在組坯之前，把待結(jié)合的表面加工成0.01～3mm的齒狀，或者在鋼的結(jié)合面上加工出30～90μm的粗糙度。④組料方式。通常情況下，采用對(duì)稱軋制或重疊軋制法制備的復(fù)合板材都需要預(yù)先組坯，以提高復(fù)合板材的品質(zhì)和成品率。⑤加熱。加熱溫度一般高于700℃，低于900℃。在均勻加熱的基礎(chǔ)上，加熱時(shí)間應(yīng)盡量縮短，具體要據(jù)坯料大小、加熱效率、中間層的成分而定。⑥軋制。金屬薄片為中間層的，道次壓下率要大于10%，累積變形量為大于70%；液相擠出的軋制，對(duì)第一道次要作下地處理，且變形量要大于10%。⑦熱處理。影響軋制溫度的因素有很多，比如軋制方式、坯料尺寸、加熱溫度等，需對(duì)軋制溫度或軋后冷卻速度進(jìn)行精確控制，以提高復(fù)合板的界面強(qiáng)度。⑧矯平。鈦、鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大，復(fù)合板在成型后容易向鋼一側(cè)彎曲，使用前要對(duì)鈦鋼復(fù)合板進(jìn)行矯平[5]。

軋制法主要用來制備大尺寸鈦鋼復(fù)合板和薄板，產(chǎn)品尺寸精確，材料利用率高，生產(chǎn)成本較低，環(huán)境污染較小，但該工藝過程要求十分嚴(yán)格。

1.2 真空制坯熱軋復(fù)合法

真空制坯熱軋復(fù)合法可將熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、強(qiáng)度等性能差異較大的金屬進(jìn)行冶金結(jié)合形成金屬間多層復(fù)合板，使復(fù)合板具有優(yōu)異性能，從而滿足不同的使用要求[6]。以普通碳鋼為基材，鈦及鈦合金作覆材的鈦鋼復(fù)合板，其耐蝕性、強(qiáng)度、塑性較好，金屬鈦用量較少，生產(chǎn)成本低，在市場(chǎng)上的需求較高。真空熱軋復(fù)合方法的基本工藝流程見圖1。首先對(duì)金屬板材進(jìn)行表面處理，然后將板材界面四周進(jìn)行焊接密封，僅留一個(gè)小孔用來抽真空。達(dá)到一定真空度后對(duì)小孔進(jìn)行完全密封，隨即進(jìn)行熱軋。此方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，但界面易氧化、真空度不夠高，造成界面強(qiáng)度低。

圖1 焊接后抽真空的真空熱軋復(fù)合方法[6]

為了解決上述真空熱軋復(fù)合法制備鈦鋼復(fù)合材料的不足，人們?cè)谥婆鬟^程中引入真空電子束焊接，即在真空下將高速運(yùn)動(dòng)的電子束打到焊縫上，動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，對(duì)金屬進(jìn)行熔化焊接。其工藝路線如圖2。與傳統(tǒng)熱軋復(fù)合法相比，真空電子束焊接保證了焊接、加熱、軋制過程中的界面高真空避免氧化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合板材良好的界面冶金結(jié)合。

圖2 真空制坯軋制復(fù)合過程[6]

東北大學(xué)采用了真空電子束制坯熱軋復(fù)合法成功制備了鈦鋼復(fù)合板，其工藝流程見圖3所示。由于鈦板和鋼板直接焊接時(shí)易生成脆性化合物，影響密封性，如何保證界面處于高真空狀態(tài)顯得尤為重要。

圖3 工藝流程[6]

1.3 爆炸焊接法

爆炸焊接法是利用炸藥產(chǎn)生的能量，使被焊金屬表面發(fā)生高速傾斜碰撞，在撞擊面上形成一薄層的金屬塑性變形、以及適量的熔化和原子間的相互擴(kuò)散等過程而形成冶金結(jié)合，其原理見圖4。

圖4 爆炸焊接原理示意圖[7]

爆炸焊接的工藝步驟主要為：安放板材、涂刷黃油、炸藥布置、雷管安裝、引爆，其工藝流程如圖5所示。

圖5 爆炸焊接工藝流程[7]

在爆炸焊接的過程中，板材界面同時(shí)受到熱和爆炸載荷力的作用，使界面結(jié)合區(qū)存在著塑性變形、局部熔化、原子擴(kuò)散等現(xiàn)象，從而使爆炸焊接具備壓力焊、熔化焊、擴(kuò)散焊的一些特點(diǎn)。與其它焊接法相比，爆炸焊接是一種工藝流程簡(jiǎn)單、能源來源充足、成品性能優(yōu)良、成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)、用途較為廣泛的焊接技術(shù)，在相關(guān)領(lǐng)域獲得了較廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械化程度較低，作業(yè)過程受天氣所限，容易產(chǎn)生噪音污染和環(huán)境污染。

1.4 爆炸-軋制復(fù)合法

爆炸復(fù)合法在生產(chǎn)厚板和小面積金屬?gòu)?fù)合板方面具有優(yōu)勢(shì)地位，軋制復(fù)合法在生產(chǎn)薄板和大尺寸金屬?gòu)?fù)合板方面具有較廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。因此，為增大復(fù)合板的尺寸，可以采用爆炸-軋制的方法制備鋼鈦復(fù)合板，即在爆炸復(fù)合技術(shù)制得金屬?gòu)?fù)合板后，再利用軋制工藝增大復(fù)合板的面積。

為此，研究人員做了大量相關(guān)的研究工作。王敬忠等人采用爆炸+軋制的方法得到鈦鋼復(fù)合板，首先以爆炸焊接的方式使鈦板與鋼板結(jié)合，然后按對(duì)稱的方式組成料坯，采用熱軋的方式使鈦鋼與碳鋼結(jié)合。研究結(jié)果表明，當(dāng)軋制溫度為830℃時(shí)，鈦鋼復(fù)合板界面的剪切強(qiáng)度高達(dá)265MPa。李平倉(cāng)等人以Gr1/Q235B爆炸復(fù)合板為對(duì)象，研究了不同軋制工藝下鈦鋼復(fù)合板的力學(xué)性能變化，結(jié)果表明當(dāng)開軋溫度為850～800℃時(shí)，鈦鋼復(fù)合板的結(jié)合性能較好。劉潤(rùn)生等人采用爆炸-軋制法制備出了鈦鋼復(fù)合板，復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度大于210MPa，而且彎曲實(shí)驗(yàn)均未發(fā)生開裂[8]。

1.5 擴(kuò)散焊接法

擴(kuò)散焊接法是一種利用原子相互擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)結(jié)合的方法。具體來說，指在一定的溫度、壓力下使待焊接的多種材料表面相互接觸，通過發(fā)生微觀塑性變形或者在待焊接材料表面產(chǎn)生液相而擴(kuò)大接觸面積，并使兩者之間的距離達(dá)到（1～5）×10-8cm以內(nèi)，使金屬原子間的引力開始起作用形成金屬鍵，獲得具備一定強(qiáng)度的復(fù)合材料接頭，從而實(shí)現(xiàn)材料表面的完美結(jié)合。

由于鈦和鋼的基本性質(zhì)差別較大，兩者之間的固溶度小，在一定溫度下，鋼中的碳就非常容易和鈦板中的鈦形成脆性化合物分布在鋼鈦界面上，從而導(dǎo)致鋼鈦復(fù)合板的性能較差[9]?；诖?，在利用擴(kuò)散焊接制備鈦鋼復(fù)合板的過程中，通常在鋼板和鈦板之間加中間層，其工藝流程見圖6。

圖6 擴(kuò)散焊接工藝流程及安裝簡(jiǎn)圖[9]

利用該方法制備鈦鋼具有以下特點(diǎn)：工藝參數(shù)較易控制，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定，成品材料的尺寸精度高，材料的利用效率高，環(huán)境污染少。但存在著焊接裝備要求高，熱循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低，投資成本高等問題。

1.6 鋼帶電子束鍍鈦膜

利用電子束蒸鍍技術(shù)在鋼帶表面連續(xù)鍍膜是一種先進(jìn)的表面處理工藝，主要是通過電子束物理氣相沉積的方法在鋼帶（也可以是鋁帶、銅帶等金屬帶材）表面形成一層致密的功能涂層，包括防腐涂層、光學(xué)涂層、催化涂層和硬質(zhì)涂層等。通俗地講就是在真空條件下利用電子束加熱坩堝中的靶材，使之蒸發(fā)并沉積在鋼帶表面，從而獲得不同用途的帶鋼鍍膜表面產(chǎn)品。電子束帶鋼鍍膜基本原理如圖7所示。

圖7 電子束鋼帶鍍膜原理

鋼帶電子束鍍膜生產(chǎn)工藝流程主要包括：首先，啟動(dòng)真空系統(tǒng)（由真空泵組成）對(duì)各大真空單元進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到穩(wěn)定工作要求。然后，啟動(dòng)電子槍加熱熔化坩堝中的蒸鍍材料，達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)狀態(tài)后，啟動(dòng)預(yù)處理和輔助沉積等裝置。最后，開卷進(jìn)行連續(xù)真空鍍膜?！熬韺?duì)卷”工作模式的鍍膜流程為：開卷-進(jìn)入壓差室-真空預(yù)處理-真空鍍膜-真空冷卻-出壓差室-收卷。目前，攀枝花學(xué)院已利用電子束技術(shù)在鋼帶表面成功連續(xù)蒸鍍鈦膜，制備了性能優(yōu)良的鋼鈦復(fù)合材料。

2 鈦鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 設(shè)備制造領(lǐng)域

鈦鋼復(fù)合板在設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用主要包含：石油精煉工廠的真空塔、蒸餾塔、熱交換器、精對(duì)苯二甲酸氧化反應(yīng)器，化工廠的各種反應(yīng)塔、沉析槽、攪拌器等，紡織印染工業(yè)和造紙工業(yè)的漂白處理槽，污水處理廠的次亞氯鹽酸苛刻鈉處理槽，真空制鹽工業(yè)的制鹽裝置、蒸發(fā)罐，核電廠用鈦冷凝器管板，海水淡化裝備等。

2.2 海洋土木領(lǐng)域

鈦在海水中基本不易被腐蝕，對(duì)生物體無毒性，對(duì)生態(tài)環(huán)境亦無影響，是一種環(huán)境友好型材料。由鈦板和鋼板復(fù)合而成的鈦鋼復(fù)合板的耐蝕性好，強(qiáng)度高，成本低，可用作海洋土木領(lǐng)域中鋼構(gòu)造物的防蝕材。日本設(shè)立了超大型浮式技術(shù)研究小組，對(duì)數(shù)公里規(guī)模耐用100年的超大型浮式海洋構(gòu)筑物進(jìn)行了理論研究和實(shí)地試驗(yàn)，在海水飛沫沖刷處使用了大量的鈦鋼復(fù)合材[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著鈦鋼復(fù)合板制備技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，鈦鋼復(fù)合板的種類和型號(hào)將不斷增多，性能將不斷提升，生產(chǎn)成本將不斷降低，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤貙挘袌?chǎng)需求也將進(jìn)一步擴(kuò)大。