感應(yīng)加熱溫度對(duì)冷-熱軋制成形鈦/鋼復(fù)合板界面的影響

白于良，李晶琨，劉雪峰，王懷柳，代廣霖

1) 北京科技大學(xué)現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083 3) 攀鋼集團(tuán)成都鈦材有限公司江油分公司，江油 621701

鈦/鋼復(fù)合板兼具鈦復(fù)層優(yōu)良的耐腐蝕性能和鋼基層的高強(qiáng)度與高塑性，廣泛應(yīng)用于石化容器設(shè)備、真空制鹽設(shè)備、海水淡化設(shè)備、精對(duì)苯二甲酸設(shè)備、核電設(shè)備和海洋工程等領(lǐng)域[1-2].

目前，制備鈦/鋼復(fù)合板的方法主要是爆炸復(fù)合法[3-4]、爆炸-軋制復(fù)合法[5-6]、擴(kuò)散復(fù)合法[7-8]和熱軋復(fù)合法[9-12].相比其他制備方法，熱軋復(fù)合法具有生產(chǎn)效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、可生產(chǎn)寬幅的鈦/鋼復(fù)合板等優(yōu)勢(shì)，目前呈現(xiàn)出逐漸取代其他制備方法的趨勢(shì)[13].然而，熱軋復(fù)合法要求鈦/鋼組坯用真空爐加熱[10]或者將坯料四周焊接并對(duì)界面抽真空處理[14]來(lái)防止加熱時(shí)界面氧化，并且熱軋時(shí)需要進(jìn)行多道次反復(fù)熱軋以便提高界面結(jié)合質(zhì)量，工藝較復(fù)雜.此外，鈦/鋼組坯在長(zhǎng)時(shí)間加熱和多道次反復(fù)熱軋時(shí)界面易生成Fe2Ti、FeTi和TiC等脆性金屬間化合物，這些脆性相在界面析出會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量[15].為了防止鈦/鋼界面脆性相的析出，研究人員在鈦層和鋼層中間添加了DT4純鐵[9]、鎳[10]或鈮[14]等過(guò)渡層，通過(guò)阻礙鈦層和鋼層的原子互擴(kuò)散來(lái)防止界面脆性相的生成.然而，添加過(guò)渡層的方法不僅導(dǎo)致鈦/鋼復(fù)合板的制備工藝更加繁瑣，而且過(guò)渡層金屬會(huì)與鈦層和鋼層產(chǎn)生新的金屬間化合物，導(dǎo)致鈦/鋼復(fù)合板的界面更加復(fù)雜[11,16].

針對(duì)傳統(tǒng)熱軋復(fù)合法存在的問(wèn)題，本文提出了采用冷-熱軋制復(fù)合法制備鈦/鋼復(fù)合板.該方法先通過(guò)冷軋使鈦/鋼組坯實(shí)現(xiàn)預(yù)復(fù)合，避免后續(xù)熱軋時(shí)鈦/鋼界面發(fā)生氧化，再利用感應(yīng)加熱和單道次熱軋?zhí)岣呓缑娼Y(jié)合質(zhì)量，通過(guò)縮短加熱時(shí)間和熱軋時(shí)間來(lái)控制界面金屬間化合物的析出，短流程高效制備出高界面結(jié)合質(zhì)量的鈦/鋼復(fù)合板.

本文擬對(duì)感應(yīng)加熱溫度對(duì)冷-熱軋制成形鈦/鋼復(fù)合板的界面組織和性能的影響進(jìn)行研究，開發(fā)鈦/鋼復(fù)合板的冷-熱軋制成形新工藝，為高性能鈦/鋼復(fù)合板的制備奠定理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

采用TA2工業(yè)純鈦帶和Q235鋼板為原材料，其化學(xué)成分見表1.鈦帶厚度為0.2 mm，鋼板厚度為4.4 mm.對(duì)鈦帶和鋼板進(jìn)行退火處理以去除內(nèi)應(yīng)力，鈦帶的退火制度為600 ℃保溫60 min后空冷，鋼板的退火制度為600 ℃保溫60 min后爐冷.

1.2 鈦/鋼復(fù)合板的制備

冷-熱軋制成形鈦/鋼復(fù)合板的工藝流程如圖1所示.首先采用酒精和質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%鹽酸對(duì)鈦帶及鋼板的表面進(jìn)行清洗，去除其表面油脂及氧化物等雜質(zhì)；再用鋼刷機(jī)械打磨鈦帶和鋼板的待復(fù)合表面，以獲得粗糙的新鮮待復(fù)合表面.將表面處理后的鈦帶與鋼板的待復(fù)合表面貼合組坯，將鈦/鋼組坯頭部鉚接后迅速進(jìn)行室溫冷軋復(fù)合制備鈦/鋼預(yù)復(fù)合板.冷軋復(fù)合所用軋機(jī)的軋輥直徑為170 mm，軋制速率為0.01 m·s-1，軋制壓下率為45.7%，制備的鈦/鋼預(yù)復(fù)合板的厚度為2.5 mm.

表1 原材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of experimental TA2 and Q235 %

圖1 冷-熱軋制成形鈦/鋼復(fù)合板工藝流程示意圖Fig.1 Process diagram of cold-hot roll bonded titanium/steel composite plates

利用60 kW的HFP-20C型全固態(tài)高頻感應(yīng)加熱裝置對(duì)鈦/鋼預(yù)復(fù)合板進(jìn)行在線加熱，感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱的金屬的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到快速加熱的目的.鈦/鋼預(yù)復(fù)合板通過(guò)感應(yīng)加熱裝置在線加熱到熱軋溫度后，連續(xù)送入熱軋機(jī)進(jìn)行單道次熱軋復(fù)合.感應(yīng)加熱溫度為750～950 ℃，熱軋復(fù)合所用軋機(jī)的軋輥直徑為120 mm，軋制壓下率為52%，熱軋復(fù)合制備的鈦/鋼復(fù)合板的厚度為1.2 mm.鈦/鋼組坯上每一點(diǎn)從開始感應(yīng)加熱至單道次熱軋復(fù)合結(jié)束的時(shí)間＜5 s.

1.3 鈦/鋼復(fù)合板的評(píng)價(jià)和表征

采用Nikon Eclipse LV150型金相顯微鏡、S250MK3型掃描電子顯微鏡和Kratos AXIS ULTRADLD X射線光電子能譜儀對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的界面進(jìn)行形貌觀察和元素成分檢測(cè)，利用TTRШ多功能X射線衍射儀對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的界面進(jìn)行物相分析.

冷-熱軋制成形鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度較高，鈦復(fù)層較薄，剝離時(shí)鈦復(fù)層易斷裂，無(wú)法通過(guò)剝離實(shí)驗(yàn)檢測(cè)鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度.本文采用觀察界面顯微硬度壓痕和三點(diǎn)彎曲的方法檢測(cè)鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度.利用HXD-5000型顯微硬度計(jì)檢測(cè)鈦/鋼復(fù)合板界面顯微硬度，再用Nikon Eclipse LV150型金相顯微鏡觀察界面處的顯微硬度壓痕形貌.三點(diǎn)彎曲試樣尺寸為50 mm×2 mm，為了加速?gòu)澢^(guò)程中裂紋的萌生，將試樣觀察側(cè)的背面沿寬度方向切取長(zhǎng)度為1 mm的凹槽.通過(guò)DEBEN型拉伸實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，最大加載力F為5 kN，并記錄界面處裂紋萌生時(shí)的彎曲行程Δl，計(jì)算裂紋萌生時(shí)的彎曲角α，如圖2所示.圖中，兩個(gè)固定點(diǎn)的距離L為25.5 mm.借助S250MK3型掃描電子顯微鏡觀察鈦/鋼復(fù)合板界面處的顯微硬度壓痕形貌和彎曲實(shí)驗(yàn)后界面附近的裂紋形貌.利用HXD-5000型顯微硬度計(jì)檢測(cè)鈦/鋼復(fù)合板界面附近的硬度分布.

圖2 彎曲實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic of the three-point bending test

2 結(jié)果與討論

2.1 界面組織

冷-熱軋制復(fù)合制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面組織形貌如圖3所示.鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合緊密，沒(méi)有孔洞、間隙和金屬間化合物等，隨著感應(yīng)加熱溫度的升高，鈦/鋼復(fù)合板的界面組織并沒(méi)有發(fā)生明顯變化.950 ℃已經(jīng)超過(guò)了Q235鋼的奧氏體化溫度，但由于在奧氏體化溫度停留時(shí)間較短，Q235鋼來(lái)不及發(fā)生奧氏體再結(jié)晶，所以，不同熱軋溫度下的鋼層組織沒(méi)有明顯的變化，為沿軋制方向拉長(zhǎng)的珠光體組織.不同熱軋溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板縱截面的X射線衍射物相圖譜如圖4所示.從圖中可以看出，加熱溫度為750～950 ℃的鈦/鋼復(fù)合板界面的主要物相為α-Ti和α-Fe相，沒(méi)有TiC、FeTi、Fe2Ti等金屬間化合物生成.

圖3 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面組織形貌.（a） 750 ℃；（b） 950 ℃Fig.3 Interfacial microstructure of titanium/steel composite plates prepared at different induction heating temperatures: (a) 750 ℃; (b) 950 ℃

圖4 鈦/鋼復(fù)合板界面的X射線衍射物相圖譜Fig.4 XRD phase patterns of the longitudinal section of titanium/steel composite plates for different induction heating temperatures

一般長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)下，鈦/鋼復(fù)合板鋼側(cè)的碳原子會(huì)擴(kuò)散至鈦/鋼界面處與Ti結(jié)合生成TiC，導(dǎo)致鋼側(cè)靠近界面處的組織由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體[17].特別是當(dāng)溫度超過(guò)882 ℃后，在較長(zhǎng)的時(shí)間下，密排六方結(jié)構(gòu)的α-Ti會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β-Ti，由于Fe原子在β-Ti中的固溶度和擴(kuò)散速度較大，鈦/鋼界面會(huì)形成FeTi和Fe2Ti脆性相[18-19].在傳統(tǒng)的擴(kuò)散復(fù)合和熱軋復(fù)合過(guò)程中，鈦/鋼復(fù)合板都需要在高溫下保溫較長(zhǎng)時(shí)間（＞2000 s），從而導(dǎo)致界面易形成TiC、FeTi和Fe2Ti等金屬間化合物，降低界面結(jié)合質(zhì)量[20].然而，冷-熱軋制復(fù)合法采用快速感應(yīng)加熱和單道次熱軋工藝，將鈦/鋼復(fù)合板的加熱時(shí)間和熱軋時(shí)間合計(jì)控制在5 s內(nèi)，確保界面來(lái)不及生成TiC、FeTi和Fe2Ti等金屬間化合物，有利于界面結(jié)合質(zhì)量的提高[21].

2.2 界面硬度

不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面附近的硬度分布如圖5所示.從圖中可以看出，在感應(yīng)加熱溫度為750～950 ℃的條件下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面附近鋼側(cè)的硬度隨著溫度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，加熱溫度為850 ℃時(shí)制備的鈦/鋼復(fù)合板界面附近鋼側(cè)的硬度最小，約為260 HV.鈦/鋼界面處的硬度與鋼基體相差不大，表明鈦/鋼復(fù)合板界面處未生成大量金屬間化合物，同時(shí)，也表明界面處鋼側(cè)沒(méi)有發(fā)生明顯的加工硬化[22-23].相比之下，鈦側(cè)靠近界面處的硬度明顯增大，說(shuō)明熱軋時(shí)界面鈦側(cè)發(fā)生了加工硬化.

圖5 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面附近的硬度分布Fig.5 Hardness distribution near the interface of titanium/steel composite plates prepared at different induction heating temperatures

不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面處的顯微硬度壓痕形貌如圖6所示.從圖中可以看出，界面處鈦側(cè)壓痕面積較大，說(shuō)明鈦側(cè)的硬度較小.不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面顯微硬度壓痕內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，壓痕附近也沒(méi)有裂紋萌生和擴(kuò)展的跡象.說(shuō)明采用冷-熱軋復(fù)合法在750～950 ℃下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合緊密，幾乎未生成金屬間化合物.

2.3 界面結(jié)合強(qiáng)度

不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面處元素?cái)U(kuò)散距離如圖7所示.從圖中可以看出，隨著感應(yīng)加熱溫度的升高，鈦/鋼復(fù)合板的界面擴(kuò)散層寬度逐漸增大，當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為950 ℃時(shí)，界面擴(kuò)散層寬度達(dá)到了8 μm.

鈦/鋼復(fù)合板在彎曲實(shí)驗(yàn)中裂紋萌生時(shí)的彎曲角如圖8所示.在感應(yīng)加熱溫度為750～950 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板界面裂紋萌生時(shí)的彎曲角隨著感應(yīng)加熱溫度的升高而降低.當(dāng)加熱溫度為750 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板界面裂紋萌生時(shí)的彎曲角為33°；當(dāng)加熱溫度為950 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板界面裂紋萌生時(shí)的彎曲角為24°.界面裂紋萌生時(shí)的彎曲角越大，界面結(jié)合質(zhì)量越好.上述結(jié)果表明，在本文的研究范圍內(nèi)，鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度良好.

不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板在彎曲過(guò)程中界面裂紋萌生時(shí)的形貌如圖9所示.從圖中可以看出，當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為750 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量較好，界面處產(chǎn)生了15 μm長(zhǎng)的微細(xì)裂紋，但裂紋沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)展；當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為850 ℃時(shí)，裂紋沿鈦/鋼復(fù)合板的界面擴(kuò)展導(dǎo)致界面有所分層；當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為950 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板界面僅出現(xiàn)了輕微分層現(xiàn)象.

圖6 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面處的顯微硬度壓痕形貌.（a）750 ℃；（b）850 ℃；（c）950 ℃Fig.6 Interfacial hardness indentation morphology of titanium/steel composite plates prepared at different induction heating temperatures: (a) 750 ℃;(b) 850 ℃; (c) 950 ℃

圖7 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面元素?cái)U(kuò)散距離Fig.7 Interfacial element diffusion distances of titanium steel composite plates prepared at different induction heating temperatures

不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板界面剝離后的剝離面形貌如圖10所示.圖中各點(diǎn)的元素含量見表2.當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為750 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板的鈦剝離面上有少量硬化層碎塊，如圖10（a）紅色剪頭所示；鋼剝離面也發(fā)現(xiàn)了因鈦剝離面硬化層碎片嵌入后形成的不規(guī)則坑狀痕跡，如圖10（b）黑色箭頭所示.在鈦剝離面的點(diǎn)1處檢測(cè)到Fe元素和C元素，說(shuō)明界面處發(fā)生了鋼中的Fe元素和C元素向鈦側(cè)擴(kuò)散；而在鋼剝離面的點(diǎn)2處只檢測(cè)到了Ti元素，沒(méi)有C元素，說(shuō)明界面處鋼側(cè)的C元素完全擴(kuò)散到了鈦側(cè).當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為850 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板的鈦剝離面上的硬化層碎塊明顯增多，且硬化層碎塊呈片狀不均勻分布，如圖10（c）中黃色圓圈所示；在鋼剝離面上也形成了成片的硬化層碎塊嵌入后留下的坑狀痕跡，如圖10（d）中黃色圓圈所示.在鈦剝離面的點(diǎn)3處同樣檢測(cè)到Fe元素和C元素，而鋼剝離面的點(diǎn)4處C元素發(fā)生了富集.當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為950 ℃時(shí)，鈦剝離面的硬化層碎塊減少.傳統(tǒng)擴(kuò)散復(fù)合法和熱軋復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面沒(méi)有硬化層碎塊，冷-熱軋制復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板界面形成硬化層碎塊的原因是，鈦加工硬化率較高，鋼刷打磨導(dǎo)致鈦待復(fù)合表面加工硬化形成硬化層，冷軋預(yù)復(fù)合時(shí)鈦待復(fù)合表面的硬化層破裂并在軋制壓力作用下嵌入鋼側(cè)，由于后續(xù)感應(yīng)加熱時(shí)間和熱軋時(shí)間較短，硬化層碎塊沒(méi)有完全軟化得以保留[24-25].界面處硬化層碎塊的存在對(duì)鈦/鋼復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的提升起到了積極的作用.

圖8 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的裂紋萌生時(shí)的彎曲角Fig.8 Bending angles during the crack initiation of titanium steel composite plates prepared at different induction heating temperatures

圖9 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面裂紋萌生形貌.（a）750 ℃；（b）850 ℃；（c）950 ℃Fig.9 Interface morphology during the crack initiation of titanium/steel composite plates prepared at different induction heating temperatures: (a) 750 ℃;(b) 850 ℃; (c) 950 ℃

圖10 不同感應(yīng)加熱溫度下制備的鈦/鋼復(fù)合板剝離面形貌.（a，b）750 ℃；（c，d）850 ℃；（e，f）950 ℃Fig.10 Peeling surface microstructure of titanium/steel composite plates prepared at different induction heating temperatures: (a, b) 750 ℃; (c, d) 850 ℃;(e, f) 950 ℃

表2 圖10中各點(diǎn)的元素含量（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）Table 2 Element composition of each point in Fig.10 %

3 結(jié)論

（1）開發(fā)了先冷軋預(yù)復(fù)合鈦/鋼組坯，再感應(yīng)加熱鈦/鋼預(yù)復(fù)合板后單道次熱軋的冷-熱軋制復(fù)合法，成功制備了鈦/鋼復(fù)合板.

（2）冷-熱軋制復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板由于感應(yīng)加熱和熱軋的時(shí)間較短（＜5 s），鈦/鋼界面僅有少量硬化層碎塊，沒(méi)有大量金屬間化合物析出.

（3）鈦/鋼復(fù)合板的界面Ti和Fe元素?cái)U(kuò)散層寬度隨感應(yīng)加熱溫度增大而增大，950 ℃時(shí)界面擴(kuò)散層寬度達(dá)到8 μm.在感應(yīng)加熱溫度為750～950 ℃的條件下，鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合性能良好.