鈦/鋼復(fù)合板及其制備應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

白于良，劉雪峰，王文靜，楊耀華

1) 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083 2) 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 3) 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

鈦/鋼復(fù)合板是由鈦板與鋼板以層狀方式組合而成的一類(lèi)先進(jìn)金屬層狀復(fù)合材料，兼具鈦的優(yōu)良耐腐蝕性能和鋼的高強(qiáng)度、低成本的特點(diǎn)，在石化電力、鹽化工、交通運(yùn)輸、海水淡化、海洋工程和日常生活等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1?5].隨著鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，市場(chǎng)對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的尺寸規(guī)格、界面結(jié)合質(zhì)量和力學(xué)性能等都提出了新的要求.雖然爆炸復(fù)合法、爆炸?軋制復(fù)合法、擴(kuò)散復(fù)合法和軋制復(fù)合法（包括熱軋復(fù)合法或冷軋復(fù)合法）都可以制備鈦/鋼復(fù)合板，但是這些方法普遍存在著污染環(huán)境、制備成本高、難以連續(xù)化制備、復(fù)合板尺寸規(guī)格受限以及質(zhì)量和性能仍然偏低等問(wèn)題，越來(lái)越無(wú)法滿足市場(chǎng)不斷提出的更高需求.

界面結(jié)合質(zhì)量作為鈦/鋼復(fù)合板的重要性能指標(biāo)始終是受關(guān)注的重點(diǎn)，表面處理方法、熱軋溫度、過(guò)渡層金屬和熱處理工藝等影響界面結(jié)合質(zhì)量的因素也一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).因?yàn)殁?鋼界面生成的TiC、FeTi或Fe2Ti等脆性相會(huì)損害鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量，而加入過(guò)渡層金屬可以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人們對(duì)鈦/鋼界面過(guò)渡層金屬的選擇和過(guò)渡層對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響進(jìn)行了大量研究，但過(guò)渡層金屬的添加會(huì)增加原料和制備的成本，限制了工業(yè)化推廣應(yīng)用[6?11].

國(guó)外對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的研究較早，特別是日本、美國(guó)已經(jīng)在化工、核電和海洋工程等領(lǐng)域大規(guī)模使用.國(guó)內(nèi)對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的研究起步較晚，寬幅鈦/鋼復(fù)合板的制備技術(shù)仍不成熟，尺寸規(guī)格以及復(fù)合率、板形等產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外相比仍有較大差距.本文從制備方法、界面特征、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)等多個(gè)角度對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，以期為鈦/鋼復(fù)合板的深入理論研究提供參考，推動(dòng)鈦/鋼復(fù)合板制備技術(shù)的進(jìn)步，拓寬鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域.

1 鈦/鋼復(fù)合板的研究現(xiàn)狀

原材料情況決定了鈦/鋼復(fù)合板的制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域，而復(fù)合板尺寸、界面特征和力學(xué)性能則是影響鈦/鋼復(fù)合板實(shí)際應(yīng)用的主要指標(biāo)和關(guān)鍵因素.所以，原材料情況以及復(fù)合板尺寸、界面特征和力學(xué)性能一直都是鈦/鋼復(fù)合板研究開(kāi)發(fā)所關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容.

1.1 原材料情況

鈦的原子序數(shù)22、原子質(zhì)量47.87，在低于882 ℃ 為密排六方結(jié)構(gòu)的 α-Ti，當(dāng)溫度超過(guò) 882 ℃后，鈦會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β-Ti.鈦金屬具有銀灰色光澤，屈服強(qiáng)度比鋼高，但重量幾乎只有同體積的鋼的一半，在有氧、潮氣、氧化劑以及銅、鐵、金、鉑等金屬離子或OH?存在的環(huán)境中，表面會(huì)鈍化形成一層牢固的、致密的、破損時(shí)還能自動(dòng)愈合的氧化物薄膜，特別是在海水等自然環(huán)境中，鈦的耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼，所以鈦又被稱為海洋金屬[12?13].

中國(guó)擁有豐富的鈦礦資源，儲(chǔ)量約占世界總量的20%，僅四川攀西地區(qū)已探明的釩鈦鐵礦就達(dá) 9.6×109t[14].但是，鈦與氧、氮、碳、氫等元素有極強(qiáng)的親和力，且與絕大多數(shù)耐火材料在高溫下都會(huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鈦的提取工藝非常復(fù)雜和困難，市場(chǎng)上海綿鈦的價(jià)格高達(dá)每噸8.0萬(wàn)元.高昂的制備成本嚴(yán)重制約了鈦的推廣應(yīng)用，相比之下，市場(chǎng)上鋼的價(jià)格卻很低（如碳鋼的價(jià)格僅每噸0.4萬(wàn)元），將鈦與鋼復(fù)合制成鈦/鋼復(fù)合板，不僅具有鈦的優(yōu)良耐腐蝕性和鋼的高強(qiáng)度，還可以大幅度地降低成本.

鈦/鋼復(fù)合板的鈦覆層材料一般為T(mén)A1、TA2等工業(yè)純鈦或 Ti?6Al?4V（TC4）等鈦合金，鋼基層材料一般為Q235、Q345、Q390、X65等低碳鋼或304、316 等不銹鋼[7,15?18].鈦和鋼（主要考慮鐵元素）的物理性能如表1所示.由于鈦和鋼的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能等的差異，鈦和鋼在熱軋復(fù)合時(shí)界面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng).界面搓動(dòng)一方面會(huì)促使原材料板材待復(fù)合表面的氧化層破裂露出新鮮表面，有利于界面復(fù)合，另一方面也會(huì)導(dǎo)致界面產(chǎn)生殘余應(yīng)力[2, 19].

1.2 復(fù)合板尺寸

爆炸復(fù)合法和擴(kuò)散復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板的尺寸存在局限性，爆炸復(fù)合法難以制備覆層厚度<2 mm的鈦/鋼復(fù)合板[20]；擴(kuò)散復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板的尺寸較小，一般用于實(shí)驗(yàn)室研究.為了擴(kuò)大鈦/鋼復(fù)合板的尺寸，一般采用爆炸?軋制復(fù)合法和熱軋復(fù)合法.近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)軋制復(fù)合技術(shù)的發(fā)展，在大面積、薄覆層鈦/鋼復(fù)合板的制備技術(shù)方面取得了較好的成果，如寶鈦集團(tuán)采用爆炸?軋制復(fù)合制備出鈦覆層厚度1.2～1.6 mm、鋼基層厚度 12～18 mm 和單張面積 35 m2的鈦/鋼復(fù)合板[20]；東北大學(xué)與國(guó)內(nèi)鋼廠合作采用真空制坯熱軋復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板的板幅寬度達(dá)到3.5 m[21].隨著鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，未來(lái)市場(chǎng)對(duì)超薄或超厚的寬板幅鈦/鋼層狀復(fù)合板的需求將會(huì)越來(lái)越旺盛.

表1 鈦和鋼的物理性能[2]Table 1 Physical properties of titanium and steel[2]

1.3 界面特征

鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量一直是關(guān)注的重點(diǎn).鈦/鋼復(fù)合板復(fù)合界面處的空隙和脆性相都會(huì)損害界面結(jié)合質(zhì)量.采用低速高形變軋制技術(shù)有利于界面空隙的消除[22]；而界面脆性相對(duì)界面的影響則較為復(fù)雜，脆性相的種類(lèi)、形貌和分布對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響也不相同.

鈦/鋼界面在高溫下會(huì)生成 β-Ti、TiC、FeTi或Fe2Ti等相，各相的晶體學(xué)信息見(jiàn)表2所示.這些相中TiC、FeTi和Fe2Ti表現(xiàn)為本征脆性，脆性由大到小依次為T(mén)iC>FeTi>Fe2Ti.其中，TiC斷裂韌性只有 5.7 MPa·m?1/2，對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的損害最大；而當(dāng)TiC、FeTi和Fe2Ti共存于界面時(shí)，對(duì)界面的損害比三者單獨(dú)存在時(shí)更嚴(yán)重[2, 23?24].在相同溫度下，TiC、Fe2Ti和 FeTi 3 種反應(yīng)產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能大小順序?yàn)門(mén)iC

表2 鈦/鋼界面各相的晶體學(xué)信息Table 2 Crystallographic information of phases in titanium/steel interface

1.4 力學(xué)性能

GB/T 8547—2019 鈦?鋼復(fù)合板和 GB/T 8546—2017鈦?不銹鋼復(fù)合板中規(guī)定了鈦/鋼復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和剪切強(qiáng)度的要求，其中抗拉強(qiáng)度的下限值Rmj按式（1）計(jì)算：

式中：t1為鋼基層材料的厚度，mm；t2為鈦覆層材料的厚度，mm；Rm1為鋼基層材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值，MPa；Rm2為鈦覆層材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值，MPa.

鈦/鋼復(fù)合板的斷后伸長(zhǎng)率A要求不小于鋼基層材料或鈦覆層材料標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的較低斷后伸長(zhǎng)率.0類(lèi)鈦/鋼復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度要求≥196 MPa，1類(lèi)和2類(lèi)鈦/鋼復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度要求≥140 MPa.

目前未添加過(guò)渡層金屬的鈦/鋼復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度有的能達(dá)到200～250 MPa，其中鈦合金覆層的界面剪切強(qiáng)度明顯高于純鈦覆層的[17, 31?35]；通過(guò)添加過(guò)渡層金屬，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度可以高達(dá)500 MPa[15, 36].爆炸復(fù)合和軋制復(fù)合的鈦/鋼復(fù)合板界面殘余應(yīng)力較大，需要在550～650 ℃下進(jìn)行退火處理，退火溫度超過(guò) 650 ℃ 會(huì)顯著降低界面剪切強(qiáng)度[26, 37?38].Ti/439不銹鋼復(fù)合板的最小延伸激活能與碳在鐵中擴(kuò)散的活化能相近，說(shuō)明鋼的塑性損失是由動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效引起的，當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度較高時(shí)，鈦層在250～550 ℃拉伸試驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)生多次縮頸形成波紋表面，但鈦的失穩(wěn)不會(huì)影響鈦/鋼復(fù)合板整體的穩(wěn)定性和成形性[39].

2 鈦/鋼復(fù)合板制備方法的研究現(xiàn)狀

因?yàn)殁伜弯摰乃苄宰冃文芰蜔崤蛎浵禂?shù)相差較大，所以鈦和鋼的復(fù)合難度較大.目前，鈦/鋼復(fù)合板的主要制備方法有爆炸復(fù)合法、爆炸?軋制復(fù)合法、擴(kuò)散復(fù)合法和熱軋復(fù)合法.

2.1 爆炸復(fù)合法

爆炸復(fù)合法是以炸藥為能源，利用爆炸產(chǎn)生的沖擊力使兩層或者多層金屬板材發(fā)生劇烈碰撞、塑性變形、熔化以及原子間的互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)界面牢固結(jié)合的一種金屬?gòu)?fù)合板制備方法.爆炸復(fù)合坯料的裝配方法有平行法和角度法兩種，平行法適用于大面積金屬?gòu)?fù)合板，角度法適用于高爆速炸藥和小面積金屬?gòu)?fù)合板，其裝配情況如圖1所示[40].

圖1 爆炸復(fù)合法裝配示意圖[40]Fig.1 Assembly diagram of explosive composite method[40]

爆炸復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面呈連續(xù)而規(guī)則的波形，該波形由前渦和后渦組成.盡管波形界面組織的存在可改善鈦/鋼復(fù)合板沿爆炸方向的結(jié)合質(zhì)量，但波形前渦尖端易包裹Fe2Ti、FeTi和TiC等金屬間化合物，這些金屬間化合物周?chē)０橛形⒘鸭y產(chǎn)生，會(huì)降低界面結(jié)合強(qiáng)度[32, 41?42].爆炸載荷對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度、界面組織和金屬間化合物影響較大.爆炸載荷較低時(shí)，界面的波形平緩，振幅較小；隨著爆炸載荷增大，界面的波形振幅也逐漸增大，界面處熔化的金屬比例增大，界面結(jié)合更緊密；但增大爆炸載荷也會(huì)促使界面生成金屬間化合物，損害界面結(jié)合強(qiáng)度[32, 43- 44].爆炸復(fù)合時(shí)，界面碰撞的動(dòng)能損失和界面金屬間化合物的生成也會(huì)降低鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度.Manikandan等[45]采用增加不同厚度過(guò)渡層金屬的方法控制爆炸復(fù)合時(shí)界面的能量損失，發(fā)現(xiàn)添加薄的過(guò)渡層金屬可產(chǎn)生沒(méi)有金屬間化合物的鈦/鋼界面，當(dāng)過(guò)渡層金屬厚度增大時(shí)，界面金屬間化合物層的厚度也增大.

爆炸復(fù)合法因其工藝簡(jiǎn)單，易復(fù)合性質(zhì)（熔點(diǎn)、強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等）相差較大的鈦和鋼，是制備鈦/鋼復(fù)合板最常用的方法之一[46].但是，爆炸復(fù)合法因環(huán)境污染和無(wú)法連續(xù)化制備鈦/鋼復(fù)合板等問(wèn)題，正在逐漸被軋制復(fù)合等其他方法所取代[37].

2.2 爆炸-軋制復(fù)合法

爆炸?軋制復(fù)合法是將待復(fù)合金屬板材通過(guò)爆炸復(fù)合后，再通過(guò)冷軋或熱軋獲得金屬?gòu)?fù)合板的一種制備方法.爆炸?軋制復(fù)合法的一般工藝流程是：金屬板材準(zhǔn)備→表面處理→爆炸復(fù)合→爆后熱處理→熱軋→冷軋→校平.由于爆炸復(fù)合鈦/鋼復(fù)合板的界面加工硬化會(huì)影響后續(xù)軋制效果，需要通過(guò)爆后熱處理消除界面的加工硬化；熱處理時(shí)需要控制溫度低于850 ℃，避免界面生成Fe2Ti和 FeTi[26, 47?48].鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度隨著軋制壓下率增大而增大.這是因?yàn)殡S著軋制壓下率的增大，爆炸形成鈦/鋼復(fù)合板的波形界面逐漸變得平直，界面金屬間化合物破碎成不連續(xù)分布的狀態(tài)，有利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高[49].王敬忠等[38]先用爆炸復(fù)合法把鈦板和DT4純鐵過(guò)渡層復(fù)合，再用熱軋復(fù)合法將Ti/DT4與Q235鋼板復(fù)合，制備了Ti/DT4/Q235復(fù)合板；研究了制備工藝對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)熱軋溫度在830～880 ℃、退火溫度在550～650 ℃時(shí)界面金屬間化合物最少，界面結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)250 MPa.

爆炸?軋制復(fù)合法不僅克服了爆炸復(fù)合法無(wú)法制備厚度小和表面質(zhì)量要求高的鈦/鋼復(fù)合板的缺點(diǎn)，還解決了軋制復(fù)合法制備的鈦/鋼復(fù)合板存在的原材料及其尺寸受軋機(jī)能力限制等問(wèn)題，極大地增加了制備的靈活性[39].但是，爆炸?軋制復(fù)合法依然存在環(huán)境污染和無(wú)法連續(xù)化制備鈦/鋼復(fù)合板等問(wèn)題.

2.3 擴(kuò)散復(fù)合法

擴(kuò)散復(fù)合法是把表面清潔的金屬板材疊放在一起，然后加熱到一定溫度，同時(shí)加壓，通過(guò)原子間互擴(kuò)散使界面結(jié)合在一起的金屬?gòu)?fù)合板制備方法[50].采用擴(kuò)散復(fù)合法制備鈦/鋼復(fù)合板時(shí)，通過(guò)加熱和加壓促進(jìn)界面原子互擴(kuò)散的同時(shí)，也會(huì)促使界面生成FeTi等金屬間化合物，損害界面結(jié)合強(qiáng)度[51?52]，為避免FeTi等的生成，擴(kuò)散復(fù)合時(shí)可通過(guò)在鈦層和鋼層中間添加銅[53?54]、鎳[16, 55]、鋁[56]和鈮[57]等過(guò)渡層金屬，以此來(lái)顯著提高鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度.Kundu等[58]采用擴(kuò)散復(fù)合法在4 MPa壓力和900 ℃溫度下制備了鈦/不銹鋼復(fù)合板，研究了保溫時(shí)間和鎳過(guò)渡層對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)先增大后減小.隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鈦/鋼復(fù)合板的界面原子擴(kuò)散越充分，冶金結(jié)合點(diǎn)越多，但界面金屬間化合物也逐漸增多，損害界面結(jié)合質(zhì)量；當(dāng)保溫時(shí)間為2.7 ks時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度最高達(dá)到405 MPa.增加鎳過(guò)渡層可避免界面生成FeTi等金屬間化合物，鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)479 MPa.

擴(kuò)散復(fù)合法無(wú)污染，而且制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面殘余應(yīng)力小，不需要后續(xù)熱處理；但是制備效率低，可制備的鈦/鋼復(fù)合板尺寸受限，難以工業(yè)化推廣.

2.4 熱軋復(fù)合法

熱軋復(fù)合法是在軋機(jī)的強(qiáng)大壓力下，伴以熱作用，使組元金屬層的待復(fù)合表面破碎，并在整個(gè)金屬截面內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，在破碎后露出的新鮮金屬表面形成組元金屬層間的機(jī)械嵌合和原子鍵合的一種高效金屬?gòu)?fù)合板制備方法.因?yàn)殁伜弯摰乃苄宰冃文芰ο嗖钶^大，變形不協(xié)調(diào)，為防止鈦/鋼復(fù)合板發(fā)生翹曲，提高成材率，一般采用對(duì)稱軋制.對(duì)稱軋制的組坯方法有2種，一種是按照鋼板→鈦板→隔離劑→鋼板的順序組坯，另一種是按照鋼板→鈦板→隔離劑→鈦板→鋼板的順序組坯.為避免高溫下鈦/鋼界面發(fā)生氧化，鈦/鋼組合坯料的待復(fù)合界面處需要保證真空，通常是在組坯時(shí)使界面實(shí)現(xiàn)真空然后再熱軋，常用的方法包括小孔抽真空法[59]和真空電子束焊接法[21].小孔抽真空法是先通過(guò)焊管向鈦/鋼組合坯料的待復(fù)合界面通入氬氣作為保護(hù)氣體，以防止焊接時(shí)坯料內(nèi)部因高溫發(fā)生氧化，然后用二氧化碳保護(hù)焊將組合坯料四周以及焊管與組合坯料連接處封嚴(yán)，隨后用真空泵通過(guò)焊管將組合坯料內(nèi)部抽至真空后將焊管端部焊封，如圖2所示.真空電子束焊接法是在高真空條件下對(duì)鈦/鋼組合坯料的待復(fù)合界面四周進(jìn)行電子束焊接封裝，以保證焊接、加熱及軋制過(guò)程中待復(fù)合界面的高真空.真空電子束焊接組坯熱軋復(fù)合過(guò)程如圖3所示.小孔抽真空法的工藝簡(jiǎn)單，制備成本低廉；但焊接過(guò)程在空氣環(huán)境中完成，鈦/鋼組合坯料的待復(fù)合界面在焊接過(guò)程中易氧化，且界面真空度不高，因此界面結(jié)合強(qiáng)度和成材率都較低.真空電子束焊接法獲得的鈦/鋼組合坯料的待復(fù)合界面真空度高，界面質(zhì)量穩(wěn)定且結(jié)合強(qiáng)度高；但焊接設(shè)備造價(jià)和焊接工序成本都較高.

圖2 小孔抽真空組坯示意圖[59]Fig.2 Schematic of small hole vacuum assembling[59]

圖3 真空電子束焊接組坯熱軋復(fù)合過(guò)程示意圖[21]Fig.3 Schematic of vacuum electron beam welding and hot rolling bonding process[21]

熱軋復(fù)合法的制備效率高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可制備寬幅的鈦/鋼復(fù)合板，適合工業(yè)化應(yīng)用，但待復(fù)合界面需要在真空下熱軋復(fù)合，工藝較復(fù)雜，設(shè)備成本高.

3 鈦/鋼復(fù)合板制備工藝對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響

界面結(jié)合質(zhì)量作為鈦/鋼復(fù)合板的重要性能指標(biāo)始終是受關(guān)注的重點(diǎn)，表面處理方法、熱軋溫度、過(guò)渡層金屬和熱處理工藝作為影響界面結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵工藝因素也一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

3.1 表面處理方法

表面處理方法直接影響鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度甚至決定界面能否成功實(shí)現(xiàn)復(fù)合.表面處理方法主要有丙酮清洗、酸洗、鋼絲刷打磨和砂紙打磨等，可清除原材料鈦板材和鋼板材表面的油污、灰塵和氧化物等.表面處理會(huì)使金屬板材表面加工硬化形成硬化層，軋制復(fù)合時(shí)硬化層破碎開(kāi)裂促使新鮮金屬在開(kāi)裂處發(fā)生結(jié)合；但硬化層碎塊周?chē)仔纬闪鸭y，有可能導(dǎo)致界面結(jié)合質(zhì)量降低[60?61].表面處理還會(huì)使金屬板材表面形成凹凸不平的粗糙表面，增大表面粗糙度可提高軋制復(fù)合時(shí)鈦/鋼界面剪切力，促使鈦/鋼協(xié)同變形，有利于鈦/鋼界面復(fù)合；但也有研究表明，粗糙表面易在界面殘留不結(jié)合點(diǎn)，影響界面質(zhì)量[37, 62].楊德翰等[27]研究了鋼絲刷打磨、酸洗和帶水砂紙打磨3種表面處理方法對(duì)熱軋復(fù)合法制備鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合性能的影響，發(fā)現(xiàn)表面處理方法會(huì)影響界面TiC的形態(tài)和分布進(jìn)而影響界面結(jié)合強(qiáng)度；帶水砂紙打磨的鈦/鋼復(fù)合板界面的TiC層連續(xù)且厚度均勻，界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到242 MPa；而酸洗和鋼絲刷打磨的鈦/鋼復(fù)合板界面的TiC層斷續(xù)不均勻，界面結(jié)合強(qiáng)度未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

3.2 熱軋溫度

熱軋溫度低于700 ℃時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板的變形抗力較大，加工硬化嚴(yán)重，無(wú)法通過(guò)增大壓下率來(lái)提高界面結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)熱軋溫度過(guò)高時(shí)，界面會(huì)生成TiC、FeTi和Fe2Ti等脆性相，會(huì)降低界面結(jié)合強(qiáng)度[63?64].在低于 850 ℃ 熱軋時(shí)，鈦/鋼復(fù)合板的界面只有TiC生成，界面結(jié)合強(qiáng)度隨著溫度升高而增大；850 ℃熱軋界面結(jié)合強(qiáng)度最高；當(dāng)熱軋溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，界面由于大量脆性相的生成，界面結(jié)合強(qiáng)度降低[31].柴希陽(yáng)等[25]研究表明，熱軋溫度影響著鈦/鋼復(fù)合板界面反應(yīng)相的種類(lèi)，在低于900 ℃條件下，熱軋后冷卻擴(kuò)散過(guò)程中，C在結(jié)合界面富集能力強(qiáng)，F(xiàn)e在Ti中反應(yīng)擴(kuò)散弱，結(jié)合界面形成β-Ti和TiC；在950 ℃條件下，C在結(jié)合界面富集能力弱，F(xiàn)e在Ti中反應(yīng)擴(kuò)散強(qiáng)，結(jié)合界面形成 α-βTi、β-Ti、TiC 和 Fe2Ti；在 1000 ℃ 條件下，F(xiàn)e在Ti中的反應(yīng)擴(kuò)散進(jìn)一步增強(qiáng)，結(jié)合界面形成α-βTi、β-Ti、TiC、FeTi和 Fe2Ti，如圖4 所示.

圖4 不同熱軋復(fù)合制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面形貌及高倍形貌[25].（a,e）850 ℃；（b,f）900 ℃；（c,g）950 ℃；（d,h）1000 ℃Fig.4 Interface morphology of titanium/steel composite plate prepared at different hot rolling temperatures[25]: (a,e) 850 ℃; (b,f) 900 ℃; (c,g) 950 ℃;(d,h) 1000 ℃

3.3 過(guò)渡層金屬

為了避免界面處生成TiC、FeTi或Fe2Ti脆性相，一般采用增加過(guò)渡層金屬的方法阻止鈦和鋼的原子擴(kuò)散.過(guò)渡層金屬的選擇需要考慮多方面因素.一方面，過(guò)渡層金屬能有效隔斷Ti、Fe和C原子擴(kuò)散；另一方面，過(guò)渡層金屬不與鈦、鋼生成脆性相，或者生成的脆性相對(duì)界面損害較小.目前，過(guò)渡層金屬主要有 DT4 純鐵[31]、IF 鋼[65]、鈮[66?67]、鉬[7]、鎳[58, 68]、銀[10?11,69]、銅[8,69]、釩[70]和鋁[56]等.其中，鈮、鉬和釩等可以與鈦完全互溶不生成金屬間化合物，而銅、鎳和銀均不與鋼生成金屬間化合物，DT4純鐵和IF鋼不僅成本低廉而且可以有效阻隔C原子的擴(kuò)散.過(guò)渡層金屬的加入雖然會(huì)阻礙鈦/鋼界面TiC、FeTi或Fe2Ti的生成，但也會(huì)引入新相或孔洞，有時(shí)對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的提升也并不明顯.DT4純鐵過(guò)渡層可以使界面結(jié)合強(qiáng)度提高約40 MPa，鈮過(guò)渡層可以使界面結(jié)合強(qiáng)度提高約65 MPa，而鉬過(guò)渡層的加入則使界面產(chǎn)生大量孔洞導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度降低 20 MPa[7,31,71].

單層過(guò)渡層金屬通常難以同時(shí)與鈦和鋼實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合，為了獲得良好的界面結(jié)合質(zhì)量，多層過(guò)渡層金屬被引入到了鈦/鋼界面.Song等[15]在鈦/鋼界面添加Nb/Cu兩層過(guò)渡層金屬，擴(kuò)散復(fù)合制備了Ti/Nb/Cu/SS復(fù)合板，由于Ti與Nb完全互溶，Nb與Cu以及Cu與Fe的互溶度均較低且不生成金屬間化合物，獲得的鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到 489 MPa.Lee 等[6]在鈦/鋼界面添加了 Ni/Cr/V三層過(guò)渡層金屬，制備的鈦/鋼復(fù)合板界面沒(méi)有金屬間化合物，界面結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)480 MPa.

過(guò)渡層金屬不僅會(huì)影響鈦/鋼界面的金屬間化合物的生成，而且會(huì)影響鈦/鋼軋制復(fù)合時(shí)界面的相對(duì)滑動(dòng).Zhao等[19]研究了銅過(guò)渡層對(duì)真空熱軋鈦/不銹鋼界面相對(duì)滑動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)過(guò)渡層金屬的鈦/不銹鋼熱軋時(shí)界面相對(duì)滑動(dòng)遠(yuǎn)小于添加銅過(guò)渡層的鈦/銅/不銹鋼界面，界面滑動(dòng)可促使界面氧化膜破裂露出新鮮金屬，有利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高.

3.4 熱處理工藝

通過(guò)爆炸復(fù)合或軋制復(fù)合成形的鈦/鋼復(fù)合板界面會(huì)發(fā)生不同程度的硬化，需要熱處理去除界面殘余應(yīng)力，提高復(fù)合板的加工性能.當(dāng)退火溫度小于850 ℃時(shí)，界面處會(huì)生成TiC，對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的損害較??；當(dāng)退火溫度超過(guò)850 ℃時(shí)，界面處會(huì)形成Fe2Ti和FeTi，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度明顯降低[26, 47].爆炸復(fù)合鈦/鋼復(fù)合板的界面鈦、鐵擴(kuò)散層厚度D和界面結(jié)合強(qiáng)度S取決于退火溫度T和保溫時(shí)間t，其函數(shù)關(guān)系式[46]分別為：

為避免熱處理時(shí)鈦/鋼復(fù)合板界面生成TiC影響界面結(jié)合強(qiáng)度，要求熱處理溫度不超過(guò)650 ℃.一般在500～550 ℃溫度范圍對(duì)鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行熱處理[41].由于TiC在超過(guò)β-Ti的相變點(diǎn)溫度進(jìn)行熱處理時(shí)會(huì)分解，所以也可以通過(guò)900～950 ℃熱處理來(lái)減小TiC層厚度，但要防止界面FeTi等相的生成，所以需要嚴(yán)格控制保溫時(shí)間[2, 37].

4 鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用現(xiàn)狀

鈦/鋼復(fù)合板的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域主要有石油化工設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和制鹽設(shè)備.近年來(lái)，隨著人們對(duì)海洋認(rèn)識(shí)的加深，鈦/鋼復(fù)合板在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展.

4.1 石油化工設(shè)備

在石油化工領(lǐng)域，鈦是優(yōu)良的耐腐蝕材料，在酸、堿、鹽介質(zhì)中具有良好的穩(wěn)定性，因此鈦/鋼復(fù)合板廣泛用于濃縮塔、反應(yīng)釜、換熱器、穩(wěn)壓罐和氧化反應(yīng)冷凝器等設(shè)備[72].

中石化乙二醇裝置使用了大型鈦/鋼復(fù)合板塔器，直徑 3.2 m，總高度 51 m，主體材料為 Q345R+TA2，設(shè)備凈重 89.4 t[73].鈦/鋼復(fù)合板臥式、立式反應(yīng)釜在鈷鎳硫化物精礦、紅土鎳礦和稀貴金屬渣等資源的濕法加壓酸浸項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用[74].管板是管殼式換熱器的核心部件之一，鈦/鋼復(fù)合管板在管殼式換熱器中最為常見(jiàn)[75].鈦/鋼復(fù)合板在耐蝕壓力容器的管板、筒體和封頭上的使用率也很高，鈦覆層厚度根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性決定，通常選取2～4 mm，其中3 mm是最常使用的厚度[76].

PTA裝置核心設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化是整個(gè)裝置國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵之一，PX氧化反應(yīng)器、脫水塔和結(jié)晶器等大型鈦/鋼復(fù)合板制壓力容器的國(guó)產(chǎn)化是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.由南京寶色股份公司承制的PTA氧化反應(yīng)器，直徑達(dá) 7800 mm，長(zhǎng)度 40 m，總重 420 t，容積達(dá)到 1200 m3，容器殼體用材為 Q345R+TA1，鈦覆層厚度2～3 mm，是當(dāng)時(shí)全球最大的鈦/鋼復(fù)合承壓設(shè)備[4, 77].

4.2 發(fā)電設(shè)備

我國(guó)的火力發(fā)電廠基本上都配套安裝了煙氣脫硫設(shè)施，燃煤機(jī)組脫硫采用石灰石濕法脫硫技術(shù)，脫硫后含有水蒸氣和SO2煙氣由于溫度下降凝結(jié)，凝結(jié)的高腐蝕性液體附著在煙囪內(nèi)壁上侵蝕煙囪.鈦/鋼復(fù)合板由于良好的耐腐蝕性能和較低的材料成本被設(shè)計(jì)用于煙囪內(nèi)筒材料，目前國(guó)內(nèi)有超過(guò)600座電廠采用鈦/鋼復(fù)合板作為煙囪防腐內(nèi)筒[78?80].為了降低原料成本，煙囪內(nèi)筒用的鈦/鋼復(fù)合板的鈦覆層較薄，一般為1.2 mm.河北沙河電廠的煙囪內(nèi)筒直徑 8.5 m，高 175 m，由 87.5 層層高 2 m、周長(zhǎng) 26.72 m 的鈦/鋼復(fù)合板拼裝成圓筒形，逐層焊接垂直頂升形成，所用鈦/鋼復(fù)合板基層碳鋼（Q235B）厚度 12～16 mm、覆層鈦（TA2）厚度1.2 mm[81].

瑞典最早在20世紀(jì)80年代將鈦/鋼復(fù)合管板用于核電冷凝器設(shè)備，隨后德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)和科威特等在大型火電站及核電站中也開(kāi)始使用鈦/鋼復(fù)合板，日本在濱海電站及海水淡化裝置中的凝汽器和換熱器上同樣使用了鈦/鋼復(fù)合管板.國(guó)內(nèi)凝汽器大幅面鈦/鋼復(fù)合管板的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代初，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大幅面鈦/鋼復(fù)合板制備技術(shù)尚不成熟，尤其在結(jié)合率、不平度等指標(biāo)和可承受持續(xù)加工特性方面達(dá)不到該領(lǐng)域的特殊要求，所以日本旭化成公司和美國(guó)DMC公司很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)一直壟斷著該領(lǐng)域的中國(guó)市場(chǎng)[3].

4.3 制鹽設(shè)備

鈦具有優(yōu)異的抗海水及耐氯化物溶液腐蝕及流體沖刷的性能，特別適合作為制鹽設(shè)備中蒸發(fā)罐的殼體材料，對(duì)于防止蒸發(fā)罐壁結(jié)鹽垢，延長(zhǎng)洗罐周期有良好效果.1985年，內(nèi)蒙古吉蘭泰鹽場(chǎng)率先將鈦/鋼復(fù)合板用于真空制鹽蒸發(fā)室的Ⅱ-Ⅳ效蒸發(fā)室主體材料，實(shí)踐證明鈦/鋼復(fù)合板制造的蒸發(fā)室可減緩腐蝕和結(jié)鹽垢，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，提高鹽質(zhì)白度和均勻性[1].2007年，寶鈦集團(tuán)復(fù)合板公司向四川久大制鹽有限責(zé)任公司提供了600多噸TA2/TA10鈦/鋼復(fù)合板，用于60萬(wàn)噸真空制鹽項(xiàng)目的設(shè)備制造[4].

4.4 海洋工程

在海洋工程中，鈦/鋼復(fù)合板不僅能滿足海洋環(huán)境下的耐蝕要求，而且是環(huán)境友好型材料，在海水中無(wú)毒害，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境沒(méi)有不良影響，特別適合用作海洋土木領(lǐng)域的防蝕材料[82].日本因其四面臨海的特殊地理位置，開(kāi)展了鈦/鋼復(fù)合板在浮式海洋構(gòu)筑物的適用性研究，已實(shí)用或計(jì)劃中的大型浮式海洋構(gòu)筑物有機(jī)場(chǎng)、港灣物流基地、發(fā)電廠、原油和天然氣體貯存基地、橋梁、廢棄物和污水處理場(chǎng)等[83].日本在橫須賀建造了一個(gè)超大型浮式海洋構(gòu)筑物，在海水飛沫沖刷處使用了鈦/鋼復(fù)合板；日本跨海大橋也將鈦/鋼復(fù)合板應(yīng)用到橋柱飛濺區(qū)[21].隨著人們對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)力度不斷加大，鈦/鋼復(fù)合板在海洋油氣開(kāi)發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛.

5 鈦/鋼復(fù)合板的發(fā)展趨勢(shì)

隨著人們對(duì)鈦的認(rèn)識(shí)逐漸加深，鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的石油化工、航空航天向土木建筑和海洋工程等領(lǐng)域拓展.市場(chǎng)對(duì)超薄、超厚、高強(qiáng)高耐蝕和界面強(qiáng)冶金結(jié)合的鈦/鋼復(fù)合板的需求逐漸增大.在保證耐腐蝕性能的前提下減小鈦覆層厚度，可減少鈦的使用，降低成本.由于鈦和鋼的熱物理性能差異較大，鈦/鋼復(fù)合板的焊接加工非常困難，而寬板幅鈦/鋼復(fù)合板可以減少焊縫數(shù)量，降低加工成本，提高生產(chǎn)效率.基于以上原因，鈦/鋼復(fù)合板的發(fā)展趨勢(shì)是薄覆層、厚度薄、寬板幅、高性能和低成本.

鈦/鋼復(fù)合板的制備方法和工藝直接決定了其尺寸規(guī)格和性能，所以制備方法和工藝成為了該領(lǐng)域近年的研究熱點(diǎn).激光工程化凈成形技術(shù)[84]、放電等離子燒結(jié)技術(shù)[85]、噴射沉積法[86]和釬焊復(fù)合法[87?88]也被用于制備鈦/鋼復(fù)合板，但這些方法目前都僅限于實(shí)驗(yàn)室研究.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)企業(yè)制備鈦/鋼復(fù)合板最常用的方法是爆炸復(fù)合法，而在日本熱軋復(fù)合法已經(jīng)成為制備鈦/鋼復(fù)合板的主流方法，隨著國(guó)內(nèi)軋機(jī)能力的提升，熱軋復(fù)合法也正在逐漸替代爆炸復(fù)合法成為該領(lǐng)域的發(fā)展主流，鞍鋼、南鋼和濟(jì)鋼等大型國(guó)有企業(yè)都開(kāi)始采用真空制坯熱軋復(fù)合法生產(chǎn)鈦/鋼復(fù)合板[21, 89?90].然而，真空制坯熱軋復(fù)合法對(duì)設(shè)備要求較高，工藝繁瑣，界面焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，限制了該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用.因此，鈦/鋼復(fù)合板低成本、高效率和短流程制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)是該領(lǐng)域亟待解決的難題之一，也成為了該領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急和主要發(fā)展趨勢(shì).

針對(duì)上述問(wèn)題，劉雪峰等[91?92]開(kāi)發(fā)了鈦/鋼復(fù)合板兩步軋制復(fù)合法（又稱“冷?熱軋制復(fù)合法”），先將原材料純鈦板和Q235低碳鋼板待復(fù)合表面進(jìn)行打磨、清潔等處理后，無(wú)需添加任何過(guò)渡層金屬，直接層疊進(jìn)行預(yù)復(fù)合軋制，接著在空氣氛圍下加熱后再進(jìn)行終復(fù)合軋制.該方法利用預(yù)復(fù)合軋制工序替代了傳統(tǒng)熱軋復(fù)合法中的真空制坯工序，工藝流程短、成材率高、制備成本低，制備的鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量穩(wěn)定，界面結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)230 MPa，特別適合低成本制備薄覆層、厚度薄、寬幅、高性能的鈦/鋼復(fù)合板.

6 結(jié)語(yǔ)

人們對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的研究已有半個(gè)世紀(jì)之久，開(kāi)發(fā)了多種鈦/鋼復(fù)合板制備方法，推動(dòng)了鈦/鋼復(fù)合板的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用.雖然鈦/鋼復(fù)合板在制備、性能和應(yīng)用等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是仍然存在以下問(wèn)題：

（1）尺寸規(guī)格受限.隨著鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，市場(chǎng)對(duì)鈦/鋼復(fù)合板的尺寸規(guī)格提出了新的要求，然而因?yàn)樵O(shè)備和技術(shù)等原因，目前制備的鈦/鋼復(fù)合板仍無(wú)法滿足薄覆層、超薄、超厚或?qū)挵宸氖袌?chǎng)需求.

（2）制備成本高.采用熱軋復(fù)合法制備鈦/鋼復(fù)合板已逐漸成為產(chǎn)業(yè)化的主要發(fā)展方向，但現(xiàn)在熱軋復(fù)合前一般都需要真空電子束焊接組坯，設(shè)備和制備成本較高，削弱了鈦/鋼復(fù)合板的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

（3）界面結(jié)合質(zhì)量不穩(wěn)定.由于影響鈦/鋼復(fù)合板的界面結(jié)合質(zhì)量的因素較多，常常容易出現(xiàn)同一鈦/鋼復(fù)合板的不同位置結(jié)合強(qiáng)度不同，不同批次的鈦/鋼復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度相差較大等問(wèn)題.

（4）焊接、成形等后續(xù)加工難度大.鈦和鋼的熱物理性能差異較大，鈦/鋼復(fù)合板焊接時(shí)界面易生成FeTi等脆性相；鈦和鋼塑性加工時(shí)難以協(xié)同變形，會(huì)導(dǎo)致鈦/鋼復(fù)合板后續(xù)進(jìn)一步塑性成形時(shí)界面結(jié)合質(zhì)量可能會(huì)下降.

有鑒于此，鈦/鋼復(fù)合板未來(lái)的重點(diǎn)研究方向包括：

（1）在鈦/鋼復(fù)合板制備工藝和界面結(jié)合質(zhì)量方面深入研究，揭示鈦/鋼界面復(fù)合機(jī)理和界面脆性相的析出行為.

（2）基于界面復(fù)合理論開(kāi)發(fā)新的短流程高效制備工藝，降低制備成本，拓寬鈦/鋼復(fù)合板的尺寸規(guī)格.

（3）基于復(fù)合界面脆性相的析出規(guī)律進(jìn)行工藝優(yōu)化，精確調(diào)控復(fù)合界面脆性相的生成，制備界面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)冶金結(jié)合的、具有高界面結(jié)合強(qiáng)度的鈦/鋼復(fù)合板.