90 工程科学学报，第43卷，第1期 热轧复合法的制备效率高，对环境无污染，可 翰等2叨研究了钢丝刷打磨、酸洗和带水砂纸打磨 制备宽幅的钛/钢复合板，适合工业化应用，但待复 3种表面处理方法对热轧复合法制备钛/钢复合板 合界面需要在真空下热轧复合，工艺较复杂，设备 的界面结合性能的影响，发现表面处理方法会影 成本高. 响界面TiC的形态和分布进而影响界面结合强 3钛/钢复合板制备工艺对界面结合质量 度；带水砂纸打磨的钛/钢复合板界面的TC层连 的影响 续且厚度均匀，界面结合强度达到242MPa:而酸 洗和钢丝刷打磨的钛/钢复合板界面的TC层断续 界面结合质量作为钛钢复合板的重要性能 不均匀，界面结合强度未达到国家标准 指标始终是受关注的重点，表面处理方法、热 3.2热轧温度 轧温度、过渡层金属和热处理工艺作为影响界面 热轧温度低于700℃时，钛/钢复合板的变形 结合质量的关键工艺因素也一直是该领域的研究 抗力较大，加工硬化严重，无法通过增大压下率来 热点 提高界面结合强度，当热轧温度过高时，界面会生 3.1表面处理方法 成TiC、FeTi和Fe2Ti等脆性相，会降低界面结合 表面处理方法直接影响钛/钢复合板的界面结 强度63-6在低于850℃热轧时，钛/钢复合板的界 合强度甚至决定界面能否成功实现复合.表面处 面只有TC生成，界面结合强度随着温度升高而 理方法主要有丙酮清洗、酸洗、钢丝刷打磨和砂 增大；850℃热轧界面结合强度最高；当热轧温度 纸打磨等，可清除原材料钛板材和钢板材表面的 超过900℃时，界面由于大量脆性相的生成，界面 油污、灰尘和氧化物等.表面处理会使金属板材 结合强度降低B别.柴希阳等2研究表明，热轧温度 表面加工硬化形成硬化层，轧制复合时硬化层破 影响着钛/钢复合板界面反应相的种类，在低于 碎开裂促使新鲜金属在开裂处发生结合；但硬化 900℃条件下，热轧后冷却扩散过程中，C在结合 层碎块周围易形成裂纹，有可能导致界面结合质 界面富集能力强，Fe在Ti中反应扩散弱，结合界 量降低60-6创表面处理还会使金属板材表面形成 面形成B-Ti和TiC;在950℃条件下，C在结合界 凹凸不平的粗糙表面，增大表面粗糙度可提高轧 面富集能力弱，Fe在Ti中反应扩散强，结合界面 制复合时钛/钢界面剪切力，促使钛/钢协同变形， 形成a-βTi、B-Ti、TiC和Fe2Ti;在l000℃条件下， 有利于钛钢界面复合；但也有研究表明，粗糙表面 Fe在Ti中的反应扩散进一步增强，结合界面形成 易在界面残留不结合点，影响界面质量762杨德 a-βTi、B-Ti、TiC、FeTi和Fe2Ti,如图4所示. (a) b Ti T-Fe a-Fe e 100.nm 00 nm 100nm 100nm 图4不同热轧复合制备的钛/钢复合板的界面形貌及高倍形貌.(ae)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 (a.e)850C(b,f)900C;(c.)950C. (d,h)1000℃ 3.3过渡层金属 C原子扩散；另一方面，过渡层金属不与钛、钢生 为了避免界面处生成TiC、FeTi或Fe2Ti脆性 成脆性相，或者生成的脆性相对界面损害较小.目 相，一般采用增加过渡层金属的方法阻止钛和钢 前，过渡层金属主要有DT4纯铁川、IF钢6、铌6-67、 的原子扩散.过渡层金属的选择需要考虑多方面 钼7、镍5868】、银0-山，691、铜869)、钒【701和铝I5的等 因素.一方面，过渡层金属能有效隔断Ti、Fe和 其中，铌、钼和钒等可以与钛完全互溶不生成金属热轧复合法的制备效率高，对环境无污染，可 制备宽幅的钛/钢复合板，适合工业化应用，但待复 合界面需要在真空下热轧复合，工艺较复杂，设备 成本高. 3    钛/钢复合板制备工艺对界面结合质量 的影响 界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能 指标始终是受关注的重点 ，表面处理方法、热 轧温度、过渡层金属和热处理工艺作为影响界面 结合质量的关键工艺因素也一直是该领域的研究 热点. 3.1    表面处理方法 表面处理方法直接影响钛/钢复合板的界面结 合强度甚至决定界面能否成功实现复合. 表面处 理方法主要有丙酮清洗、酸洗、钢丝刷打磨和砂 纸打磨等，可清除原材料钛板材和钢板材表面的 油污、灰尘和氧化物等. 表面处理会使金属板材 表面加工硬化形成硬化层，轧制复合时硬化层破 碎开裂促使新鲜金属在开裂处发生结合；但硬化 层碎块周围易形成裂纹，有可能导致界面结合质 量降低[60−61] . 表面处理还会使金属板材表面形成 凹凸不平的粗糙表面，增大表面粗糙度可提高轧 制复合时钛/钢界面剪切力，促使钛/钢协同变形， 有利于钛/钢界面复合；但也有研究表明，粗糙表面 易在界面残留不结合点，影响界面质量[37, 62] . 杨德 翰等[27] 研究了钢丝刷打磨、酸洗和带水砂纸打磨 3 种表面处理方法对热轧复合法制备钛/钢复合板 的界面结合性能的影响，发现表面处理方法会影 响界面 TiC 的形态和分布进而影响界面结合强 度；带水砂纸打磨的钛/钢复合板界面的 TiC 层连 续且厚度均匀，界面结合强度达到 242 MPa；而酸 洗和钢丝刷打磨的钛/钢复合板界面的 TiC 层断续 不均匀，界面结合强度未达到国家标准. 3.2    热轧温度 热轧温度低于 700 ℃ 时，钛/钢复合板的变形 抗力较大，加工硬化严重，无法通过增大压下率来 提高界面结合强度，当热轧温度过高时，界面会生 成 TiC、FeTi 和 Fe2Ti 等脆性相，会降低界面结合 强度[63−64] . 在低于 850 ℃ 热轧时，钛/钢复合板的界 面只有 TiC 生成，界面结合强度随着温度升高而 增大；850 ℃ 热轧界面结合强度最高；当热轧温度 超过 900 ℃ 时，界面由于大量脆性相的生成，界面 结合强度降低[31] . 柴希阳等[25] 研究表明，热轧温度 影响着钛/钢复合板界面反应相的种类，在低于 900 ℃ 条件下，热轧后冷却扩散过程中，C 在结合 界面富集能力强，Fe 在 Ti 中反应扩散弱，结合界 面形成 β-Ti 和 TiC；在 950 ℃ 条件下，C 在结合界 面富集能力弱，Fe 在 Ti 中反应扩散强，结合界面 形成 α-βTi、β-Ti、TiC 和 Fe2Ti；在 1000 ℃ 条件下， Fe 在 Ti 中的反应扩散进一步增强，结合界面形成 α-βTi、β-Ti、TiC、FeTi 和 Fe2Ti，如图 4 所示. 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 100 nm 100 nm 100 nm 100 nm α-Ti α-Ti α-Ti α-Ti α-Fe α-Fe α-Fe α-Fe TiC TiC TiC TiC TiC TiC TiC Fe2Ti FeTi Fe2Ti 1 TiC 2 3 4 β-Ti β-Ti β-Ti α-β Ti α-β Ti (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 图 4    不同热轧复合制备的钛/钢复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    过渡层金属 为了避免界面处生成 TiC、FeTi 或 Fe2Ti 脆性 相，一般采用增加过渡层金属的方法阻止钛和钢 的原子扩散. 过渡层金属的选择需要考虑多方面 因素. 一方面，过渡层金属能有效隔断 Ti、Fe 和 C 原子扩散；另一方面，过渡层金属不与钛、钢生 成脆性相，或者生成的脆性相对界面损害较小. 目 前，过渡层金属主要有 DT4 纯铁[31]、IF 钢[65]、铌[66−67]、 钼[7]、镍[58, 68]、银[10−11, 69]、铜[8, 69]、钒[70] 和铝[56] 等. 其中，铌、钼和钒等可以与钛完全互溶不生成金属 · 90 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期