白于良等：钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 89 合物最少，界面结合强度可达250MPa 金属表面形成组元金属层间的机械嵌合和原子键 爆炸-轧制复合法不仅克服了爆炸复合法无 合的一种高效金属复合板制备方法.因为钛和钢 法制备厚度小和表面质量要求高的钛/钢复合板的 的塑性变形能力相差较大，变形不协调，为防止钛/ 缺点，还解决了轧制复合法制备的钛/钢复合板存 钢复合板发生翘曲，提高成材率，一般采用对称轧 在的原材料及其尺寸受轧机能力限制等问题，极 制.对称轧制的组坯方法有2种，一种是按照钢板→ 大地增加了制备的灵活性9但是，爆炸-轧制复 钛板→隔离剂→钢板的顺序组坯，另一种是按照 合法依然存在环境污染和无法连续化制备钛/钢复 钢板→钛板→隔离剂→钛板→钢板的顺序组坯 合板等问题 为避免高温下钛/钢界面发生氧化，钛/钢组合坯料 2.3扩散复合法 的待复合界面处需要保证真空，通常是在组坯时 扩散复合法是把表面清洁的金属板材叠放在 使界面实现真空然后再热轧，常用的方法包括小 一起，然后加热到一定温度，同时加压，通过原子 孔抽真空法[和真空电子束焊接法四.小孔抽真 间互扩散使界面结合在一起的金属复合板制备方 空法是先通过焊管向钛/钢组合坯料的待复合界面 法o.采用扩散复合法制备钛/钢复合板时，通过 通入氩气作为保护气体，以防止焊接时坯料内部 加热和加压促进界面原子互扩散的同时，也会促 因高温发生氧化，然后用二氧化碳保护焊将组合 使界面生成eTi等金属间化合物，损害界面结合 坯料四周以及焊管与组合坯料连接处封严，随后 强度s-s,为避免FTi等的生成，扩散复合时可通 用真空泵通过焊管将组合坯料内部抽至真空后将 过在钛层和钢层中间添加铜53-5刘、镍6，s列、铝5阿和 焊管端部焊封，如图2所示.真空电子束焊接法是 铌$)等过渡层金属，以此来显著提高钛/钢复合板 在高真空条件下对钛/钢组合坯料的待复合界面四 的界面结合强度.Kundu等s8采用扩散复合法在 周进行电子束焊接封装，以保证焊接、加热及轧制 4MPa压力和900℃温度下制备了钛/不锈钢复合 过程中待复合界面的高真空.真空电子束焊接组 板，研究了保温时间和镍过渡层对界面结合强度 坯热轧复合过程如图3所示.小孔抽真空法的工 的影响，发现钛/钢复合板的界面结合强度随着保 艺简单，制备成本低廉；但焊接过程在空气环境中 温时间延长先增大后减小.随着保温时间的延长， 完成，钛/钢组合坯料的待复合界面在焊接过程中 钛/钢复合板的界面原子扩散越充分，冶金结合点 易氧化，且界面真空度不高，因此界面结合强度和 越多，但界面金属间化合物也逐渐增多，损害界面 成材率都较低.真空电子束焊接法获得的钛/钢组 结合质量：当保温时间为2.7ks时，界面结合强度 合坯料的待复合界面真空度高，界面质量稳定且 最高达到405MPa.增加镍过渡层可避免界面生 结合强度高：但焊接设备造价和焊接工序成本都 成FeTi等金属间化合物，钛/钢复合板的界面结合 较高 强度最高可达479MPa 扩散复合法无污染，而且制备的钛/钢复合板 的界面残余应力小，不需要后续热处理；但是制备 效率低，可制备的钛/钢复合板尺寸受限，难以工业 TA2 DT4 Q235B 化推广 Pipe 2.4热轧复合法 热轧复合法是在轧机的强大压力下，伴以热 作用，使组元金属层的待复合表面破碎，并在整个 图2小孔抽真空组坯示意图5列 金属截面内产生塑性变形，在破碎后露出的新鲜 Fig.2 Schematic of small hole vacuum assembling!s Electron beam welding Hot rolling Heat treatment Straightening Cutting and separating Surface treatment 图3真空电子束焊接组坯热轧复合过程示意图叫 Fig.3 Schematic of vacuum electron beam welding and hot rolling bonding process合物最少，界面结合强度可达 250 MPa. 爆炸‒轧制复合法不仅克服了爆炸复合法无 法制备厚度小和表面质量要求高的钛/钢复合板的 缺点，还解决了轧制复合法制备的钛/钢复合板存 在的原材料及其尺寸受轧机能力限制等问题，极 大地增加了制备的灵活性[39] . 但是，爆炸‒轧制复 合法依然存在环境污染和无法连续化制备钛/钢复 合板等问题. 2.3    扩散复合法 扩散复合法是把表面清洁的金属板材叠放在 一起，然后加热到一定温度，同时加压，通过原子 间互扩散使界面结合在一起的金属复合板制备方 法[50] . 采用扩散复合法制备钛/钢复合板时，通过 加热和加压促进界面原子互扩散的同时，也会促 使界面生成 FeTi 等金属间化合物，损害界面结合 强度[51−52] ，为避免 FeTi 等的生成，扩散复合时可通 过在钛层和钢层中间添加铜[53−54]、镍[16, 55]、铝[56] 和 铌[57] 等过渡层金属，以此来显著提高钛/钢复合板 的界面结合强度. Kundu 等[58] 采用扩散复合法在 4 MPa 压力和 900 ℃ 温度下制备了钛/不锈钢复合 板，研究了保温时间和镍过渡层对界面结合强度 的影响，发现钛/钢复合板的界面结合强度随着保 温时间延长先增大后减小. 随着保温时间的延长， 钛/钢复合板的界面原子扩散越充分，冶金结合点 越多，但界面金属间化合物也逐渐增多，损害界面 结合质量；当保温时间为 2.7 ks 时，界面结合强度 最高达到 405 MPa. 增加镍过渡层可避免界面生 成 FeTi 等金属间化合物，钛/钢复合板的界面结合 强度最高可达 479 MPa. 扩散复合法无污染，而且制备的钛/钢复合板 的界面残余应力小，不需要后续热处理；但是制备 效率低，可制备的钛/钢复合板尺寸受限，难以工业 化推广. 2.4    热轧复合法 热轧复合法是在轧机的强大压力下，伴以热 作用，使组元金属层的待复合表面破碎，并在整个 金属截面内产生塑性变形，在破碎后露出的新鲜 金属表面形成组元金属层间的机械嵌合和原子键 合的一种高效金属复合板制备方法. 因为钛和钢 的塑性变形能力相差较大，变形不协调，为防止钛/ 钢复合板发生翘曲，提高成材率，一般采用对称轧 制. 对称轧制的组坯方法有 2 种，一种是按照钢板→ 钛板→隔离剂→钢板的顺序组坯，另一种是按照 钢板→钛板→隔离剂→钛板→钢板的顺序组坯. 为避免高温下钛/钢界面发生氧化，钛/钢组合坯料 的待复合界面处需要保证真空，通常是在组坯时 使界面实现真空然后再热轧，常用的方法包括小 孔抽真空法[59] 和真空电子束焊接法[21] . 小孔抽真 空法是先通过焊管向钛/钢组合坯料的待复合界面 通入氩气作为保护气体，以防止焊接时坯料内部 因高温发生氧化，然后用二氧化碳保护焊将组合 坯料四周以及焊管与组合坯料连接处封严，随后 用真空泵通过焊管将组合坯料内部抽至真空后将 焊管端部焊封，如图 2 所示. 真空电子束焊接法是 在高真空条件下对钛/钢组合坯料的待复合界面四 周进行电子束焊接封装，以保证焊接、加热及轧制 过程中待复合界面的高真空. 真空电子束焊接组 坯热轧复合过程如图 3 所示. 小孔抽真空法的工 艺简单，制备成本低廉；但焊接过程在空气环境中 完成，钛/钢组合坯料的待复合界面在焊接过程中 易氧化，且界面真空度不高，因此界面结合强度和 成材率都较低. 真空电子束焊接法获得的钛/钢组 合坯料的待复合界面真空度高，界面质量稳定且 结合强度高；但焊接设备造价和焊接工序成本都 较高. TA2 DT4 Q235B Pipe 图 2    小孔抽真空组坯示意图[59] Fig.2    Schematic of small hole vacuum assembling[59] Surface treatment Electron beam welding Hot rolling Heat treatment Straightening Cutting and separating 图 3    真空电子束焊接组坯热轧复合过程示意图[21] Fig.3    Schematic of vacuum electron beam welding and hot rolling bonding process[21] 白于良等： 钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 · 89 ·