86 工程科学学报，第43卷，第1期 development trend of titanium/steel composite plate were described.Finally,the main problems and future research direction of titanium/steel composite plate were pointed out.This study aims to provide a reference for in-depth theoretical research of titanium/steel composite plate,promote its progress preparation technology,and broaden its application field. KEY WORDS titanium/steel composite plate;processing method;application field;transition layer;interfacial bonding strength 钛/钢复合板是由钛板与钢板以层状方式组合 素.所以，原材料情况以及复合板尺寸、界面特征 而成的一类先进金属层状复合材料，兼具钛的优 和力学性能一直都是钛/钢复合板研究开发所关注 良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，在石 的热点和重点内容 化电力、盐化工、交通运输、海水淡化、海洋工程 1.1原材料情况 和日常生活等领域应用广泛-)随着钛/钢复合 钛的原子序数22、原子质量47.87，在低于 板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺 882℃为密排六方结构的a-T1,当温度超过882℃ 寸规格、界面结合质量和力学性能等都提出了新 后，钛会转变为体心立方结构的阝-Ti.钛金属具有 的要求.虽然爆炸复合法、爆炸-轧制复合法、扩 银灰色光泽，屈服强度比钢高，但重量几乎只有同 散复合法和轧制复合法（包括热轧复合法或冷轧 体积的钢的一半，在有氧、潮气、氧化剂以及铜、 复合法)都可以制备钛/钢复合板，但是这些方法普 铁、金、铂等金属离子或OH存在的环境中，表面 遍存在着污染环境、制备成本高、难以连续化制 会钝化形成一层牢固的、致密的、破损时还能自 备、复合板尺寸规格受限以及质量和性能仍然偏 动愈合的氧化物薄膜，特别是在海水等自然环境 低等问题，越来越无法满足市场不断提出的更高 中，钛的耐腐蚀性能优于不锈钢，所以钛又被称为 需求 海洋金属2-1] 界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能指 中国拥有丰富的钛矿资源，储量约占世界总 标始终是受关注的重点，表面处理方法、热轧温 量的20%，仅四川攀西地区已探明的钒钛铁矿就 度、过渡层金属和热处理工艺等影响界面结合质 达9.6×10但是，钛与氧、氨、碳、氢等元素有 量的因素也一直是该领域的研究热点.因为钛/钢 极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下 界面生成的TiC、FeTi或Fe2Ti等脆性相会损害钛/ 都会发生反应，导致钛的提取工艺非常复杂和困 钢复合板的界面结合质量，而加入过渡层金属可 难，市场上海绵钛的价格高达每吨8.0万元.高昂 以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人 的制备成本严重制约了钛的推广应用，相比之下， 们对钛/钢界面过渡层金属的选择和过渡层对界面 市场上钢的价格却很低（如碳钢的价格仅每吨 结合质量的影响进行了大量研究，但过渡层金属 0.4万元)，将钛与钢复合制成钛/钢复合板，不仅具 的添加会增加原料和制备的成本，限制了工业化 有钛的优良耐腐蚀性和钢的高强度，还可以大幅 推广应用6川 度地降低成本 国外对钛/钢复合板的研究较早，特别是日 钛/钢复合板的钛覆层材料一般为TA1、TA2 本、美国已经在化工、核电和海洋工程等领域大 等工业纯钛或Ti-6A1-4V(TC4)等钛合金，钢基层 规模使用.国内对钛/钢复合板的研究起步较晚， 材料一般为Q235、Q345、Q390、X65等低碳钢或 宽幅钛/钢复合板的制备技术仍不成熟，尺寸规格 304、316等不锈钢，15-181钛和钢（主要考虑铁元 以及复合率、板形等产品质量与国外相比仍有较 素)的物理性能如表1所示.由于钛和钢的热膨胀 大差距.本文从制备方法、界面特征、应用现状和 系数、热导率和力学性能等的差异，钛和钢在热轧 发展趋势等多个角度对钛/钢复合板的研究开发现 复合时界面会产生相对滑动.界面搓动一方面会 状进行了综述，以期为钛/钢复合板的深入理论研 促使原材料板材待复合表面的氧化层破裂露出新 究提供参考，推动钛/钢复合板制备技术的进步，拓 鲜表面，有利于界面复合，另一方面也会导致界面 宽钛/钢复合板的应用领域 产生残余应力1 1.2复合板尺寸 1 钛/钢复合板的研究现状 爆炸复合法和扩散复合法制备的钛/钢复合板 原材料情况决定了钛/钢复合板的制备方法和 的尺寸存在局限性，爆炸复合法难以制备覆层厚 应用领域，而复合板尺寸、界面特征和力学性能则 度<2mm的钛/钢复合板P,扩散复合法制备的钛/ 是影响钛/钢复合板实际应用的主要指标和关键因 钢复合板的尺寸较小，一般用于实验室研究.为了development  trend  of  titanium/steel  composite  plate  were  described.  Finally,  the  main  problems  and  future  research  direction  of titanium/steel composite plate were pointed out. This study aims to provide a reference for in-depth theoretical research of titanium/steel composite plate, promote its progress preparation technology, and broaden its application field. KEY WORDS    titanium/steel composite plate；processing method；application field；transition layer；interfacial bonding strength 钛/钢复合板是由钛板与钢板以层状方式组合 而成的一类先进金属层状复合材料，兼具钛的优 良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，在石 化电力、盐化工、交通运输、海水淡化、海洋工程 和日常生活等领域应用广泛[1−5] . 随着钛/钢复合 板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺 寸规格、界面结合质量和力学性能等都提出了新 的要求. 虽然爆炸复合法、爆炸‒轧制复合法、扩 散复合法和轧制复合法（包括热轧复合法或冷轧 复合法）都可以制备钛/钢复合板，但是这些方法普 遍存在着污染环境、制备成本高、难以连续化制 备、复合板尺寸规格受限以及质量和性能仍然偏 低等问题，越来越无法满足市场不断提出的更高 需求. 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等影响界面结合质 量的因素也一直是该领域的研究热点. 因为钛/钢 界面生成的 TiC、FeTi 或 Fe2Ti 等脆性相会损害钛/ 钢复合板的界面结合质量，而加入过渡层金属可 以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人 们对钛/钢界面过渡层金属的选择和过渡层对界面 结合质量的影响进行了大量研究，但过渡层金属 的添加会增加原料和制备的成本，限制了工业化 推广应用[6−11] . 国外对钛/钢复合板的研究较早，特别是日 本、美国已经在化工、核电和海洋工程等领域大 规模使用. 国内对钛/钢复合板的研究起步较晚， 宽幅钛/钢复合板的制备技术仍不成熟，尺寸规格 以及复合率、板形等产品质量与国外相比仍有较 大差距. 本文从制备方法、界面特征、应用现状和 发展趋势等多个角度对钛/钢复合板的研究开发现 状进行了综述，以期为钛/钢复合板的深入理论研 究提供参考，推动钛/钢复合板制备技术的进步，拓 宽钛/钢复合板的应用领域. 1    钛/钢复合板的研究现状 原材料情况决定了钛/钢复合板的制备方法和 应用领域，而复合板尺寸、界面特征和力学性能则 是影响钛/钢复合板实际应用的主要指标和关键因 素. 所以，原材料情况以及复合板尺寸、界面特征 和力学性能一直都是钛/钢复合板研究开发所关注 的热点和重点内容. 1.1    原材料情况 钛的原子序 数 22、原子质 量 47.87，在低于 882 ℃ 为密排六方结构的 α-Ti，当温度超过 882 ℃ 后，钛会转变为体心立方结构的 β-Ti. 钛金属具有 银灰色光泽，屈服强度比钢高，但重量几乎只有同 体积的钢的一半，在有氧、潮气、氧化剂以及铜、 铁、金、铂等金属离子或 OH−存在的环境中，表面 会钝化形成一层牢固的、致密的、破损时还能自 动愈合的氧化物薄膜，特别是在海水等自然环境 中，钛的耐腐蚀性能优于不锈钢，所以钛又被称为 海洋金属[12−13] . 中国拥有丰富的钛矿资源，储量约占世界总 量的 20%，仅四川攀西地区已探明的钒钛铁矿就 达 9.6×109 t [14] . 但是，钛与氧、氮、碳、氢等元素有 极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下 都会发生反应，导致钛的提取工艺非常复杂和困 难，市场上海绵钛的价格高达每吨 8.0 万元. 高昂 的制备成本严重制约了钛的推广应用，相比之下， 市场上钢的价格却很低（如碳钢的价格仅每吨 0.4 万元），将钛与钢复合制成钛/钢复合板，不仅具 有钛的优良耐腐蚀性和钢的高强度，还可以大幅 度地降低成本. 钛/钢复合板的钛覆层材料一般为 TA1、TA2 等工业纯钛或 Ti‒6Al‒4V（TC4）等钛合金，钢基层 材料一般为 Q235、Q345、Q390、X65 等低碳钢或 304、316 等不锈钢[7,15−18] . 钛和钢（主要考虑铁元 素）的物理性能如表 1 所示. 由于钛和钢的热膨胀 系数、热导率和力学性能等的差异，钛和钢在热轧 复合时界面会产生相对滑动. 界面搓动一方面会 促使原材料板材待复合表面的氧化层破裂露出新 鲜表面，有利于界面复合，另一方面也会导致界面 产生残余应力[2, 19] . 1.2    复合板尺寸 爆炸复合法和扩散复合法制备的钛/钢复合板 的尺寸存在局限性，爆炸复合法难以制备覆层厚 度<2 mm 的钛/钢复合板[20] ；扩散复合法制备的钛/ 钢复合板的尺寸较小，一般用于实验室研究. 为了 · 86 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期