白于良等：钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 87 表1钛和钢的物理性能刊 会影响界面TC层的连续性和均匀性，当界面真 Table 1 Physical properties of titanium and steel 空度较低时，钛/钢界面会产生较多的未结合区域， Thermal Thermal 界面也会生成随机分布的TN,这些未结合区域 Material Density/Melting conductivity/ expansion Specific heat/ (g.cm)point/C coefficient/ (W-m-K-) (JkgK) 和TiN的存在会破坏Ti和Fe在结合界面的扩散 (10K-) 均匀性，破坏界面TC层的连续性，损害界面结合 Ti 4.5 1677 13.8 8.2 539 质量-2界面处FeTi和Fe2Ti的生成温度在a- Fe 7.8 1537 66.7 11.8 482 Ti→B-Ti相变点882℃以上，而Fe是B-Ti稳定元 扩大钛/钢复合板的尺寸，一般采用爆炸-轧制复合 素，界面处Fe元素扩散进入Ti基体会降低相变温 法和热轧复合法.近年来，随着国内轧制复合技术 度，导致a-Ti在低于882℃下转变成B-Ti,进而导 致界面生成FeTi和FeTi0因为在Ti相变点温 的发展，在大面积、薄覆层钛/钢复合板的制备技 术方面取得了较好的成果，如宝钛集团采用爆炸- 度以上，钛/钢界面会同时析出TiC、FeTi和Fe2Ti, 轧制复合制备出钛覆层厚度1.2~1.6mm、钢基层 严重恶化界面结合质量，所以钛钢直接复合的温 度一般低于相变点温度 厚度12~18mm和单张面积35m2的钛/钢复合 板2；东北大学与国内钢厂合作采用真空制坯热轧 表2钛/钢界面各相的品体学信息 复合法制备的钛/钢复合板的板幅宽度达到3.5mP叫 Table 2 Crystallographic information of phases in titanium/steel interface 随着钛钢复合板的应用领域不断拓展，未来市场 Phase Crystal system Space group lattice constant 对超薄或超厚的宽板幅钛钢层状复合板的需求将 a-Fe BCC Im-3m a=0.2866nm 会越来越旺盛 a=b=0.2951nm, a-Ti HCP P63/mmc c=0.4683nm 1.3界面特征 B-Ti BCC Im-3m a=0.3306nm 钛/钢复合板的界面结合质量一直是关注的重 TiC FCC Fm-3m a=0.4327nm 点.钛/钢复合板复合界面处的空隙和脆性相都会 a=b=0.4785nm. 损害界面结合质量.采用低速高形变轧制技术有 Fe2Ti HCP P63/mmc c=0.7799nm 利于界面空隙的消除：而界面脆性相对界面的 FeTi BCC Pm-3m a=0.2976nm 影响则较为复杂，脆性相的种类、形貌和分布对界 面结合质量的影响也不相同 1.4力学性能 钛/钢界面在高温下会生成B-Ti、TiC、FeTi或 GB/T8547一2019钛-钢复合板和GB/T8546一 Fe2Ti等相，各相的晶体学信息见表2所示.这些 2017钛-不锈钢复合板中规定了钛/钢复合板的抗 相中TiC、FeTi和FeTi表现为本征脆性，脆性由 拉强度、断后伸长率和剪切强度的要求，其中抗拉 大到小依次为TiC>FeTi>FeTi.其中，TiC断裂韧 强度的下限值Rm按式(1)计算： 性只有5.7 MPa:m,对界面结合质量的损害最 Rmj= t1Rml +t2Rm2 (1) 大；而当TiC、FeTi和FeTi共存于界面时，对界面 f1+1 的损害比三者单独存在时更严重B2-2刘在相同温 式中：1为钢基层材料的厚度，mm;2为钛覆层材 度下，TiC、Fe2Ti和FeTi3种反应产物标准生成吉 料的厚度，mm;Rml为钢基层材料的抗拉强度标准 布斯自由能大小顺序为TiC<Fe2Ti<FeTi<0,说明TiC 下限值，MPa;Rm2为钛覆层材料的抗拉强度标准 最容易在界面处生成：而且由于C元素在α-Ti基 下限值，MPa 体中溶解度较低，所以钢中的C扩散至界面处容 钛/钢复合板的断后伸长率A要求不小于钢 易发生富集并与Ti反应形成TiC,界面TiC的生 基层材料或钛覆层材料标准中规定的较低断后 成在一定程度上会阻碍元素的进一步扩散：但是 伸长率.0类钛钢复合板的界面剪切强度要求≥ 当温度超过950℃，界面处TiC会重新溶解2s-2 196MPa,1类和2类钛/钢复合板的界面剪切强度 钛/钢复合板的界面结合强度随着TC层厚度的增 要求≥140MPa 大而减小，利用555~850℃、1~3h的热处理可 目前未添加过渡层金属的钛/钢复合板的界面 改变TiC层厚度四钛/钢界面形成薄且均匀的 剪切强度有的能达到200~250MPa,其中钛合金 TiC层时，有利于提高界面结合质量；界面TiC层 覆层的界面剪切强度明显高于纯钛覆层的1-3)： 厚度不均匀时，在TC较厚的区域易发生脆断，损 通过添加过渡层金属，严格控制工艺参数制备的 害界面结合强度：表面处理方式和界面真空度均 钛/钢复合板的界面剪切强度可以高达500MPa,扩大钛/钢复合板的尺寸，一般采用爆炸‒轧制复合 法和热轧复合法. 近年来，随着国内轧制复合技术 的发展，在大面积、薄覆层钛/钢复合板的制备技 术方面取得了较好的成果，如宝钛集团采用爆炸‒ 轧制复合制备出钛覆层厚度 1.2～1.6 mm、钢基层 厚度 12～18 mm 和单张面积 35 m2 的钛/钢复合 板[20] ；东北大学与国内钢厂合作采用真空制坯热轧 复合法制备的钛/钢复合板的板幅宽度达到 3.5 m[21] . 随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，未来市场 对超薄或超厚的宽板幅钛/钢层状复合板的需求将 会越来越旺盛. 1.3    界面特征 钛/钢复合板的界面结合质量一直是关注的重 点. 钛/钢复合板复合界面处的空隙和脆性相都会 损害界面结合质量. 采用低速高形变轧制技术有 利于界面空隙的消除[22] ；而界面脆性相对界面的 影响则较为复杂，脆性相的种类、形貌和分布对界 面结合质量的影响也不相同. 钛/钢界面在高温下会生成 β-Ti、TiC、FeTi 或 Fe2Ti 等相，各相的晶体学信息见表 2 所示. 这些 相中 TiC、FeTi 和 Fe2Ti 表现为本征脆性，脆性由 大到小依次为 TiC>FeTi>Fe2Ti. 其中，TiC 断裂韧 性只有 5.7 MPa·m−1/2，对界面结合质量的损害最 大；而当 TiC、FeTi 和 Fe2Ti 共存于界面时，对界面 的损害比三者单独存在时更严重[2, 23−24] . 在相同温 度下，TiC、Fe2Ti 和 FeTi 3 种反应产物标准生成吉 布斯自由能大小顺序为 TiC<Fe2Ti<FeTi<0，说明 TiC 最容易在界面处生成；而且由于 C 元素在 α-Ti 基 体中溶解度较低，所以钢中的 C 扩散至界面处容 易发生富集并与 Ti 反应形成 TiC，界面 TiC 的生 成在一定程度上会阻碍元素的进一步扩散；但是 当温度超过 950 ℃，界面处 TiC 会重新溶解[25−26] . 钛/钢复合板的界面结合强度随着 TiC 层厚度的增 大而减小，利用 555～850 ℃、1～3 h 的热处理可 改变 TiC 层厚度[22] . 钛/钢界面形成薄且均匀的 TiC 层时，有利于提高界面结合质量；界面 TiC 层 厚度不均匀时，在 TiC 较厚的区域易发生脆断，损 害界面结合强度；表面处理方式和界面真空度均 会影响界面 TiC 层的连续性和均匀性，当界面真 空度较低时，钛/钢界面会产生较多的未结合区域， 界面也会生成随机分布的 TiN，这些未结合区域 和 TiN 的存在会破坏 Ti 和 Fe 在结合界面的扩散 均匀性，破坏界面 TiC 层的连续性，损害界面结合 质量[27−28] . 界面处 FeTi 和 Fe2Ti 的生成温度在 α- Ti→β-Ti 相变点 882 ℃ 以上，而 Fe 是 β-Ti 稳定元 素，界面处 Fe 元素扩散进入 Ti 基体会降低相变温 度，导致 α-Ti 在低于 882 ℃ 下转变成 β-Ti，进而导 致界面生成 FeTi 和 Fe2Ti[29−30] . 因为在 Ti 相变点温 度以上，钛/钢界面会同时析出 TiC、FeTi 和 Fe2Ti， 严重恶化界面结合质量，所以钛/钢直接复合的温 度一般低于相变点温度[31] . 表 2 钛/钢界面各相的晶体学信息 Table 2   Crystallographic information of phases in titanium/steel interface Phase Crystal system Space group lattice constant α-Fe BCC Im-3m a = 0.2866 nm α-Ti HCP P63/mmc a = b = 0.2951 nm， c = 0.4683 nm β-Ti BCC Im-3m a = 0.3306 nm TiC FCC Fm-3m a = 0.4327 nm Fe2Ti HCP P63/mmc a = b = 0.4785 nm， c = 0.7799 nm FeTi BCC Pm-3m a = 0.2976 nm 1.4    力学性能 GB/T 8547—2019 钛‒钢复合板和 GB/T 8546— 2017 钛‒不锈钢复合板中规定了钛/钢复合板的抗 拉强度、断后伸长率和剪切强度的要求，其中抗拉 强度的下限值 Rmj 按式（1）计算： Rmj = t1Rm1 +t2Rm2 t1 +t2 （1） 式中：t1 为钢基层材料的厚度，mm；t2 为钛覆层材 料的厚度，mm；Rm1 为钢基层材料的抗拉强度标准 下限值，MPa；Rm2 为钛覆层材料的抗拉强度标准 下限值，MPa. 钛/钢复合板的断后伸长率 A 要求不小于钢 基层材料或钛覆层材料标准中规定的较低断后 伸长率. 0 类钛/钢复合板的界面剪切强度要求≥ 196 MPa，1 类和 2 类钛/钢复合板的界面剪切强度 要求≥140 MPa. 目前未添加过渡层金属的钛/钢复合板的界面 剪切强度有的能达到 200～250 MPa，其中钛合金 覆层的界面剪切强度明显高于纯钛覆层的[17, 31−35] ； 通过添加过渡层金属，严格控制工艺参数制备的 钛/钢复合板的界面剪切强度可以高达 500 MPa[15, 36] . 表 1    钛和钢的物理性能[2] Table 1    Physical properties of titanium and steel[2] Material Density/ (g·cm−3) Melting point/℃ Thermal conductivity/ (W·m−1·K−1) Thermal expansion coefficient/ (10−6·K−1) Specific heat/ (J·kg−1·K −1) Ti 4.5 1677 13.8 8.2 539 Fe 7.8 1537 66.7 11.8 482 白于良等： 钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 · 87 ·