層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形技術(shù)的應(yīng)用研究

張 明，蔡俊清

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

1 層狀Ti/Steel復(fù)合材料

隨著機(jī)械裝備越來(lái)越多地在復(fù)雜工況條件下使用，單一的原材料已無(wú)法滿足裝備制造業(yè)的發(fā)展。層狀金屬?gòu)?fù)合材料是指將兩種或兩種以上性能不同的金屬原材料通過(guò)一定的成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的、尺寸連續(xù)的結(jié)合而制備出的一種新型復(fù)合材料。層狀金屬?gòu)?fù)合材料仍然保持了原材料各自原有的特性，但其綜合性能優(yōu)于原有的單一材料。

層狀Ti/Steel復(fù)合材料是以鋼為基層，以鈦為復(fù)層的復(fù)合材料。鈦及其合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高以及出色的耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于石油化工、海洋工程和航空航天等領(lǐng)域中。但是，鈦及其合金的使用成本相對(duì)較高，導(dǎo)致其不能大規(guī)模推廣使用，而合金鋼作為一種制備技術(shù)成熟的原材料，在使用過(guò)程中表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)性。層狀Ti/Steel復(fù)合材料既具有鈦合金比強(qiáng)度高、耐蝕性能好等物理、化學(xué)性能上的優(yōu)點(diǎn)，又具有合金鋼的強(qiáng)度高和塑性好等力學(xué)性能上的優(yōu)點(diǎn)，因而可以滿足裝備制造、石油化工、海洋工程等諸多領(lǐng)域?qū)υ牧鲜褂眯阅芎褪褂贸杀镜囊?。因此，層狀Ti/Steel復(fù)合材料在許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的成形方法

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的方法有四種：軋制復(fù)合，擴(kuò)散復(fù)合，爆炸復(fù)合，爆炸-軋制復(fù)合。

2.1 軋制復(fù)合

軋制復(fù)合法是層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形的主要方法。使用軋制方法生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料時(shí)，鈦板與鋼板直接組坯，軋制難以貼合，結(jié)合強(qiáng)度不高。另外，在軋制過(guò)程中，Ti/Steel界面處會(huì)產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，如TiC、TiFe、TiFe2等。這些金屬間化合物猶如雜質(zhì)相，使界面的結(jié)合性能嚴(yán)重下降。影響層狀Ti/Steel復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素就是界面上形成的這些金屬間化合物。因而采用軋制法生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料時(shí)，要控制界面層生成TiC、TiFe、TiFe2的影響因素[1]。

控制金屬間化合物生成的主要方法可以分為兩種：1）抑制原材料中C元素和Fe元素的擴(kuò)散，降低其在界面處的濃度；2）利用加熱方法，延長(zhǎng)共晶反應(yīng)時(shí)間，生成低溫的液相，通過(guò)軋制壓力，將這些液相擠出材料界面，從而得到無(wú)雜質(zhì)的金屬界面，以實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。軋制復(fù)合法的主要優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)，首先，可以通過(guò)軋制得到大尺寸的層狀Ti/Steel復(fù)合材料，或生產(chǎn)較薄的層狀Ti/Steel復(fù)合材料，使高成本的鈦材料可以滿足人們對(duì)日常消費(fèi)品的生產(chǎn)需求；其次，和爆炸復(fù)合法相比，軋制法符合當(dāng)下綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念，生成的污染物少且得到的產(chǎn)品尺寸精確，可以提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其主要缺點(diǎn)是工藝的各環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格，操作水平要求較高[2]。

2.2 擴(kuò)散復(fù)合

層狀Ti/Steel復(fù)合材料的擴(kuò)散復(fù)合（diffusion welding，DW）是在加熱、加壓條件下使Ti與Steel的表面相互接觸擠壓，Ti/Steel界面上產(chǎn)生的微量液相在保溫過(guò)程中逐漸擴(kuò)大，然后Ti、Steel原材料中的元素在液相中經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)充分融合，最終冷卻下來(lái)，使Ti與Steel這兩種性能不同的材料實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。工程領(lǐng)域采用擴(kuò)散復(fù)合法成形層狀Ti/Steel復(fù)合材料的案例并不多見(jiàn)。

擴(kuò)散復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝參數(shù)的控制容易，工藝精度較高；成形過(guò)程中的變形小，尺寸精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；材料的使用率高，有利于節(jié)約貴重金屬；對(duì)環(huán)境污染也較少。缺點(diǎn)是：成形時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；產(chǎn)品的尺寸受設(shè)備大小的限制；對(duì)原材料表面的光潔程度要求高；一般需專用設(shè)備，一次性投資大。

2.3 爆炸復(fù)合

爆炸復(fù)合(explosive welding，XW)，是以TNT爆炸波作為動(dòng)力，利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊使兩層不同的原材料在高速傾斜碰撞下結(jié)合在一起的成形方法。爆炸復(fù)合是前蘇聯(lián)科學(xué)家L.R.Carl首先提出來(lái)的，他利用TNT的爆炸波使兩種不同的材料在相互碰撞下實(shí)現(xiàn)永久結(jié)合，于是提出了利用爆炸技術(shù)把不同的金屬?gòu)?fù)合在一起的方法。隨后，美國(guó)的學(xué)者Philip chuk把爆炸復(fù)合技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了鋁-鋼復(fù)合板的爆炸復(fù)合。之后，關(guān)于爆炸復(fù)合的理論、技術(shù)研究以及工程應(yīng)用便在英國(guó)、德國(guó)、捷克、日本等國(guó)家迅速展開(kāi)。

中國(guó)早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始進(jìn)行爆炸復(fù)合成形技術(shù)的研究，1968年，我國(guó)大連造船廠成功地試制了國(guó)內(nèi)第一塊爆炸態(tài)復(fù)合板。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)極端工況下服役裝備的需求增加，亟需一種能夠便捷高效地生產(chǎn)層狀復(fù)合材料的技術(shù)，這導(dǎo)致了我國(guó)爆炸復(fù)合技術(shù)的理論研究和試驗(yàn)技術(shù)飛速發(fā)展，也推動(dòng)了爆炸復(fù)合法在層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形中的應(yīng)用。爆炸復(fù)合法在層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形過(guò)程具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，它的生產(chǎn)成本低，對(duì)成形環(huán)境和場(chǎng)地的要求不高，可以方便高效地進(jìn)行生產(chǎn)，在層狀Ti/Steel復(fù)合材料的成形方法中，具有成本、產(chǎn)量、規(guī)模上的巨大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，爆炸復(fù)合法成形的層狀Ti/Steel復(fù)合材料質(zhì)量不易控制，良品率不高，對(duì)原材料的浪費(fèi)較大，這些都是爆炸復(fù)合技術(shù)研發(fā)人員需要攻克的難題。

2.4 爆炸-軋制復(fù)合

爆炸-軋制復(fù)合法結(jié)合了爆炸復(fù)合法與軋制復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)。首先利用爆炸復(fù)合法生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的坯料，這種坯料的品質(zhì)不高，再利用輥軋機(jī)，對(duì)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的坯料進(jìn)行熱軋，從而得到一定尺寸規(guī)格的Ti/Steel復(fù)合材料。這種方法避免了爆炸復(fù)合的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了軋制復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)，能夠成形大尺寸的層狀Ti/Steel復(fù)合材料。

3 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的界面

界面（結(jié)合面）是層狀Ti/Steel復(fù)合材料極其重要的組成部分，如圖1所示。金屬?gòu)?fù)合材料的性能與界面性質(zhì)密切相關(guān)，能否形成結(jié)合效果優(yōu)異的Ti/Steel界面，是決定層狀Ti/Steel復(fù)合材料使用性能的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 層狀Ti/Steel復(fù)合材料界面

因此，只有深入研究層狀Ti/Steel復(fù)合材料界面的微觀形狀、尺寸、化學(xué)缺陷與結(jié)構(gòu)缺陷等因素，才能在更深的層次上理解Ti/Steel界面與層狀Ti/Steel復(fù)合材料性能之間的關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)提升Ti/Steel界面的結(jié)合效果來(lái)生產(chǎn)更高性能的Ti/Steel復(fù)合材料，解決層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形過(guò)程中的難點(diǎn)。

首先，從化合物的角度來(lái)看，隨著界面處來(lái)自于不同原材料的元素在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散，界面處將發(fā)生惡劣的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定的Ti-Fe、Ti-C、Fe-C等類型的化合物，從而對(duì)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的性能與結(jié)合壽命等性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。用熱力學(xué)原理進(jìn)行解讀，可以認(rèn)為，界面中生成哪些化合物取決于化合物特定的生成焓，生成焓越低的化合物越容易生成[3]。

其次，從斷裂力學(xué)的角度來(lái)看，Ti/Steel界面的開(kāi)裂主要是裂紋擴(kuò)展造成的，界面處裂紋的擴(kuò)展本質(zhì)上主要是不同原材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)、彈性應(yīng)變以及塑性應(yīng)變的不一致造成的。層狀Ti/Steel復(fù)合材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力受到3個(gè)因素的影響，即Ti/Steel彈性殘余應(yīng)變的差異、Ti/Steel界面結(jié)合能的大小、Ti/Steel彈性模量的差異。當(dāng)Ti/Steel彈性殘余應(yīng)變的差異大時(shí)，有利于界面處裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)Ti/Steel界面的結(jié)合能大時(shí)，裂紋不容易擴(kuò)展，難于穿透界面；當(dāng)Ti/Steel模量差異大時(shí)，裂紋擴(kuò)展到達(dá)界面時(shí)，會(huì)受到阻礙。工程中可以使用“界面斷裂能”或“界面結(jié)合能”來(lái)表征裂紋沿界面擴(kuò)展的難易程度，即將單位面積的結(jié)合界面剝離時(shí)所需做的功，“界面斷裂能”或“界面結(jié)合能”越大，則裂紋擴(kuò)展難度越大，界面結(jié)合效果越好。

4 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的應(yīng)用

4.1 復(fù)合板

Ti/Steel復(fù)合板具有優(yōu)良的耐蝕性能與力學(xué)性能，因此，自20世紀(jì)五六十年代起，日、美、德、英等國(guó)家都很重視復(fù)合鋼板的開(kāi)發(fā)及使用，從生產(chǎn)工藝、使用性能、檢驗(yàn)方法等方面進(jìn)行了大量的研究，從而使Ti/Steel復(fù)合板產(chǎn)品在能源、造船、化工、石油和機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

1950年，美國(guó)最早開(kāi)始了Ti/Steel復(fù)合板的研究，工程化生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)60—70年代，英國(guó)伯明翰大學(xué)等單位對(duì)固相復(fù)合進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為Ti/Steel復(fù)合板的研究提供了充足的理論依據(jù)，在此取得了很大成就。20世紀(jì)80年代，俄羅斯也對(duì)TA1、TA2等鈦金屬與不銹鋼的復(fù)合材料進(jìn)行了初步研究，所采用的工藝主要有軋制法、鑄造法、爆炸法、擴(kuò)散焊接法等。

日本在Ti/Steel復(fù)合材料方面的研究雖較晚，但進(jìn)步迅速，近年來(lái)，成為從事金屬?gòu)?fù)合材料研究最多的國(guó)家之一。作為目前Ti/Steel復(fù)合板的主要生產(chǎn)國(guó)，日本的Ti/Steel復(fù)合板主要生產(chǎn)工藝是爆炸法與爆炸-軋制法，年產(chǎn)量在20萬(wàn)噸以上。

目前，世界上在有色金屬/鋼復(fù)合板的研究和應(yīng)用領(lǐng)域取得顯著成果的國(guó)家有美、日、俄、英、德等。其主要材料品種除Ti/Steel復(fù)合板外，還有含有銅、鋁、鈦、鎳、鋯等金屬組分的層狀復(fù)合板、復(fù)合棒等。

4.2 復(fù)合管

國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合管的工業(yè)應(yīng)用較為廣泛，德國(guó)BUTTING公司生產(chǎn)的機(jī)械復(fù)合管已有上千公里應(yīng)用于歐洲、北美以及亞洲等國(guó)的海底和陸上油氣管道；英國(guó)Proclad公司生產(chǎn)的冶金復(fù)合管也在全球許多國(guó)家得到應(yīng)用。BUTTING公司自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)就開(kāi)始生產(chǎn)冶金復(fù)合管，從挪威和美洲一直到澳大利亞和馬來(lái)西亞，都有該公司用各種復(fù)合材料做成的外雙金屬?gòu)?fù)合管。自1987年以來(lái)，BUTTING公司已向50多個(gè)項(xiàng)目提供了優(yōu)質(zhì)的復(fù)合材料管。Ti/Steel復(fù)合管道自1991年投入使用以來(lái)，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，在石油產(chǎn)品輸送、煉化行業(yè)獲得了廣泛認(rèn)可，美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)也已經(jīng)制定了雙金屬?gòu)?fù)合管道鋼規(guī)范(API 5LD)。

我國(guó)對(duì)此類金屬?gòu)?fù)合管的研究始于20世紀(jì)60年代，目前基礎(chǔ)研究水平和小規(guī)?；a(chǎn)品接近國(guó)外先進(jìn)水平，但在生產(chǎn)技術(shù)的成熟性、產(chǎn)品的種類、大規(guī)模的生產(chǎn)及生產(chǎn)裝備等方面與國(guó)外相比存在較大差距。這導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)，薄復(fù)層、大幅面金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)技術(shù)被歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握。我國(guó)的薄復(fù)層、大幅面金屬?gòu)?fù)合管材必須依賴進(jìn)口，且金屬?gòu)?fù)合管年產(chǎn)量較低，產(chǎn)品價(jià)格偏高。因此，我國(guó)還需要進(jìn)一步地加大研發(fā)投入，以求研制出高品質(zhì)的金屬?gòu)?fù)合管，投入大規(guī)模使用。

5 結(jié)論

層狀Ti/Steel復(fù)合材料是以鋼為基層、以鈦為復(fù)層的復(fù)合材料，它既保持了鈦優(yōu)異的耐蝕性、密度小的優(yōu)點(diǎn)，又具有合金鋼的高強(qiáng)度和較好塑性，其綜合性能優(yōu)異，產(chǎn)品的使用成本低，有著廣泛的應(yīng)用前景。生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料主要的方法包括軋制復(fù)合、擴(kuò)散復(fù)合、爆炸復(fù)合和爆炸-軋制復(fù)合4種工藝。層狀Ti/Steel復(fù)合材料的界面性能是影響其品質(zhì)的關(guān)鍵因素，其界面性能受界面處生成的化合物影響，工程實(shí)踐中，用裂紋擴(kuò)展的難易程度來(lái)表征界面的性能，在層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形過(guò)程中應(yīng)避免界面化合物的生成和裂紋擴(kuò)展[5]。層狀Ti/Steel復(fù)合材料的主要應(yīng)用包括復(fù)合板和復(fù)合管兩種產(chǎn)品。