鈦鋼復合板加工技術及其在船海工程中的應用

胡 杰，謝 榮，杜訓柏

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

鈦鋼復合板加工技術及其在船海工程中的應用

胡 杰，謝 榮，杜訓柏

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170)

介紹了鈦鋼復合板的主要加工技術，包括爆炸復合法、軋制復合法、爆炸+軋制復合法和擴散復合法，總結了各種加工技術的研究現狀及優缺點，討論了采用軋制復合法生產鈦鋼復合板的關鍵工藝，認為由于節約成本、對環境友好等優點，軋制復合法將成為主流的鈦鋼復合板加工方式，并闡明了鈦鋼復合板在船舶及海洋工程中的應用及發展前景。

鈦鋼復合板；加工技術；軋制復合；船海工程

0 引言

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐海水腐蝕等優點，是船舶及海洋工程的理想材料，被譽為“海洋金屬”，但缺點是成本較高。鈦鋼復合板是一種以鋼為基體、單面或雙面包覆鈦的高效節能復合材料，它能夠充分發揮2種材料的優勢，既具有鈦的耐蝕性，又具有鋼材作為結構件的強度和塑性，延長了材料的使用壽命，同時又降低了成本。另外，鈦鋼復合板是一種環保型材料。在海水及腐蝕性溶液或氣體中，由于表面形成穩定的氧化膜，所以鈦及鈦合金不會因腐蝕或侵蝕而導致金屬離子泄露帶來環境問題。本文介紹了鈦鋼復合板的加工技術，分析了軋制復合鈦鋼多合板的關健工藝,并展望了該復合板在船舶與海洋工程中的應用及發展前景。

1 鈦鋼復合板加工技術

目前，鈦鋼復合板加工技術主要有：爆炸復合法、軋制復合法、爆炸+軋制復合法和擴散復合法[1]。

1.1 爆炸復合法

爆炸復合法又稱為爆炸焊接，在該技術中，炸藥爆炸瞬間產生巨大能量，產生的沖擊和摩擦使金屬表面的氧化膜破碎并清除，露出新鮮的金屬表面，爆炸產生的高壓脈沖使2種金屬高速撞擊產生塑性變形、熔化而焊接在一起。

韓麗青等[3]采用爆炸復合法加工了TA2/316L復合板，復合板剪切強度值為215 MPa，遠遠高出了ASTM A-264中的最小值140 MPa。翟偉國等[4]運用爆炸復合法制備了TA2/Q345復合板，復合板的抗拉強度為483 MPa，剪切強度為223 MPa，滿足實際工程需要；結合界面呈波狀結合，且未發現脆硬的金屬間化合物生成。張越舉等[5]對鈦鋼復合板爆炸復合的動態參數進行了研究，指出獲得高強度結合和規則界面鈦鋼復合板的條件是動態碰撞角大于17°，動態碰撞速度大于760 m/s。韓小敏等[6]對TA10鈦合金和Q345R鋼進行了爆炸復合，復合板的結合界面為波狀結合，界面局部區域存在少量的Ti-Fe金屬間化合物，但并未對其性能產生較大的不利影響。

爆炸復合法工藝及設備簡便，能源豐富，成本低廉,適用范圍廣，幾乎可以實現任意金屬的連接。此外,用這種方法制成的復合板具有較高的結合強度，還具有優良的再加工性能。爆炸復合法也存在一些問題和缺點，如爆炸復合加工機械化程度低、勞動條件差。此種方法加工的復合板存在界面結合強度不均勻等缺陷，且爆炸時產生的噪音、振動和污染對周圍環境造成破壞。

1.2 軋制復合法

熱軋復合法是將復材和基材重疊組裝成待軋板坯，并將板坯四周焊接，然后進行軋制，使復材與基材結合在一起。真空熱軋是在真空中進行的，復層與基層材料在壓力和溫度下發生塑性變形，破除表面氧化膜，并形成連接的方法，在真空中進行軋制，可以阻止金屬結合表面生成有害的氧化物和氮化物。保護氣氛軋制復合技術，又稱CA復合技術，是從加熱到復合軋制的整個過程，對金屬帶進行嚴密的氣氛保護，從而杜絕復合界面氧化層的產生。

Saboktakin等[7]采用銅作為中間層，在850 ℃溫度下用熱軋的方法生產了結合強度良好的鈦鋼復合板。王光磊等[8]利用熱模擬試驗研究了加熱溫度對熱軋復合TA2純鈦/304L不銹鋼板結合性能的影響，指出加熱溫度為850 ℃時，鈦鋼復合板熱模擬試樣可達到最佳的結合性能，界面剪切強度達到215 MPa。

軋制復合法生產的鈦鋼復合板具有制品表面質量好，尺寸自由度大，尺寸精度高，生產率和成品率高，環境污染小。該方法非常適合加工薄覆層、大面積的復合板，符合鈦鋼復合板的發展趨勢。但也存在需進一步改善和研究的方面，如界面狀況、結合強度、軋制后的熱處理工藝、中間層材料等。

1.3 爆炸+軋制復合法

爆炸+軋制復合法就是先利用爆炸復合法制成厚的復合板坯，再按照不同的條件和要求，將復合板坯熱軋或冷軋成所需要尺寸復合板的方法。隨著我國經濟及制造業的快速發展，鈦鋼復合板的應用朝著大面積、薄覆層方向發展。若采用爆炸復合法生產覆層厚度小于2 mm、板寬大于2 m、長度大于6 m的鈦鋼復合板，由于受工藝技術限制，成品率低，沒有市場競爭力。而采用爆炸+軋制復合或軋制復合的方法可以滿足這一要求，拓寬復合板的應用領域。

王敬忠等[9]采用爆炸+軋制法制備了以工業純鐵為夾層材料的鈦鋼復合板，指出在550～650 ℃退火會使復合板的結合強度略微升高。江海濤等[10]研究了熱處理工藝對爆炸+軋制復合板的影響，指出850 ℃及以下溫度熱處理時，擴散反應層形成的TiC使剪切強度緩慢下降。850 ℃以上熱處理時，擴散反應層形成的大量Ti-Fe金屬間化合物及少量TiC使剪切強度明顯下降。

爆炸+軋制復合法綜合了爆炸法及軋制法的優點，采用此方法制成的鈦鋼復合板界面結合強度介于爆炸法和軋制法之間，且適用于生產大面積、薄復層的鈦鋼復合板，但仍然不能避免爆炸復合法環境污染等缺點。

1.4 擴散復合法

擴散復合法是通過把2種材料加熱到一定溫度以后再加壓，靠原子擴散使其結合的方法。但是，擴散過程非常耗時，所以通過此種方法只能加工小尺寸、結合強度較低的產品。擴散復合法不適合鈦鋼復合板的工業化大批量生產。

由于大能力軋機的投產運營，爆炸復合法和擴散復合法這2種方法呈現出被淘汰的趨勢。爆炸+軋制復合法和軋制復合法能生產大尺寸的鈦鋼復合板，但爆炸+軋制復合法工序復雜，影響因素多，且成材率相對低、能量消耗大，污染環境，有被軋制復合法取代的趨勢。隨著軋機能力以及對產品要求的不斷提高，采用軋制復合法制備鈦鋼復合板必將成為主流趨勢。

2 軋制復合鈦鋼復合板關鍵工藝

盡管軋制復合法制備鈦鋼復合板有很多優點，但是該項技術仍存在許多關鍵問題。軋制復合法包括基板和復板及中間層的準備、隔離材料的選擇、表面處理、組料方式、加熱、軋制、熱處理、矯平處理等多個工序[11]。以下列舉了一些軋制復合法制備鈦鋼復合板需注意的關鍵問題。

2.1 板坯組裝及真空密封處理

板坯組裝工序是軋制復合鈦鋼板工藝中的關鍵工序。厚度小于50 mm的鈦鋼復合板，由于基層鋼材和復層鈦合金的變形抗力不同，所以軋制時復合板會產生彎曲。為了解決這個問題，通常采用對稱軋制法進行軋制，板坯組裝如圖1所示[11]。將2組材料組合對稱疊放在一起，中間以隔離劑進行隔離，四周用檔條進行密封焊接，然后進行軋制。這種組料方式可以避免因2種金屬變形不協調而產生的復合板翹曲，從而可以提高效率和復合板的質量。

圖1 軋制鈦鋼復合板板坯組裝示意圖

由于軋制金屬表面易和氧、氮等生成化合物， 在軋制時會對復合板的質量產生影響，因此，在軋制之前，把組裝的板坯抽成真空， 并且在鈦與鋼接觸面放置中間夾層金屬，以防止鈦和鋼接觸面化合物的生成，使兩者界面能順利地貼合。

2.2 中間層和隔離材料的選擇

鈦鋼復合板界面易生成TiC和Ti-Fe等脆性金屬間化合物，在鈦的轉變溫度以下，主要是鋼中的碳元素向鈦側擴散，生成TiC；在鈦的相轉變溫度以上，碳元素在鋼中的溶解量增加，這時主要是鈦與鐵互相擴散，生成FeTi、Fe2Ti等脆性相，使鈦鋼復合板的結合強度、剪切強度等性能惡化，影響鈦鋼復合板的質量。因此，在鈦與鋼界面之間需放置1種材料作為中間層，阻止鈦的擴散及鈦和鐵的互相擴散。常用的中間層材料有鎳、鈮、銅、銀等[12]，但是這些材料比較貴重。為了節約成本，也可采用含碳量極低的工業純鐵、不銹鋼等作為中間層[13]。

在對稱軋制過程中，為了防止上下復板之間粘合和表面起皺，通常需要在復板的背靠面上涂刷隔離材料。常用的隔離劑有滑石粉、Al2O3、SiO2等[11]。隔離劑的選擇和涂刷厚度對復合板的表面質量有很大影響。若隔離劑涂刷得太薄，復板之間由于軋制受力和熱作用容易粘結在一起，不易分離；若隔離劑涂刷太厚，則會導致復板表面產生皺紋，影響外觀質量。

2.3 低速高變形軋制工藝

選擇低速高變形的軋制工藝是軋制復合法的關鍵工藝之一。大的壓下量可以使金屬產生足夠的塑性變形，消除結合界面空隙，從而改善結合強度。日本NKK公司采用低速高形變軋制工藝生產的鈦鋼復合板剪切強度達到了185 MPa，高于日本工業標準(JIS)規定的 140 MPa，而采用常規軋制工藝生產的鈦鋼復合板剪切強度均低于日本工業標準規定的最低值(140 MPa)。Jiang等[14]通過優化對稱軋制工藝，采用大壓下量制備的鈦鋼復合板，剪切強度達到了303 MPa。

3 鈦鋼復合板在船舶與海洋工程中的應用

3.1 船舶工程領域

目前，鈦及鈦合金已成功用于我國各類潛艇、水面艇、民用船、深潛器等。鈦合金在艦船上主要用來制造耐壓殼體、熱交換器、冷凝器、核反應堆外殼以及配套管道系統。俄羅斯建造了一系列鈦殼體核動力潛艇(如Alfa級、Sierra級、Mike級核潛艇等)。美國在LPD17兩棲船塢運輸艦的上層建筑區及CVN航母甲板上大量使用了鈦。日本研制開發了“Titan lady”號全鈦游艇、“Aki Ma Ru”號全鈦捕魚船等民用船只，具備質量輕、速度快、不需要表面涂層、附著物容易清理等一系列優點。我國采用鈦合金建造的 “蛟龍號”深海載人潛水器，創造了下潛7 062 m的中國載人深潛紀錄。與國外相比，我國艦船用鈦起步晚，規模小，鈦合金生產制造成本高，應用十分有限。另外，艦船裝備用鈦尚未建立完整的體系，很大程度上限制了其使用范圍。由于發展船舶及海洋工程材料的重要性和迫切性，鈦鋼復合板在船舶工程領域有很大的發展潛力，我國需進一步加快艦船用鈦鋼復合材料的研發應用步伐，以提升我國艦船的發展水平。此外，鈦鋼復合板還廣泛應用于各類船舶熱交換器和以海水為冷卻介質的濱海電站凝汽器等。

3.2 海洋工程領域

鈦鋼復合板在海洋土木領域作為鋼構造物的防蝕材也開始使用。日本大力開發鈦鋼復合板技術，采用連續熱軋制造的鈦鋼復合薄板作為海洋鋼構造物的襯里，應用于海洋領域。日本還成立了超大型浮式海洋構筑物技術研究小組，對耐用100 a的超大型浮式海洋構筑物進行研究試驗，其中鈦材成為首選材料。海洋建筑物的易腐蝕部分采用鈦鋼復合板作為防蝕材料，或用鈦薄板包覆易腐蝕部位。隨著鈦鋼復合板制造技術的不斷改進，目前開發的鈦鋼復合板制造成本可以與不銹鋼成本相競爭。日本位于橫須賀的超大型浮式海洋構筑物中, 鈦鋼復合板材應用于海水飛沫沖刷處，有很好的耐蝕作用。

鈦鋼復合板也應用于其他大型浮式海洋構筑物，如海上機場、發電廠、港灣物流基地、海上緊急避難所、海上娛樂設施、原油和天然氣貯存基地等。

3.3 海水淡化領域

地球上淡水資源不足，并且水資源分布不均。目前，世界上有許多嚴重缺水國家，如埃及、新加坡、阿聯酋等，此外，還有100多個國家有不同程度的缺水。中國也是世界上的貧水國之一，且水資源分布不均。再過幾十年，淡水資源會越來越匱乏，全球整個淡水資源不容樂觀。所以，未來幾十年國際海水淡化市場將有無比巨大的商機。由于優異的耐海水腐蝕性能和抗沖刷性能以及無毒等優點，因而鈦是海水淡化領域設備的理想材料，這必將掀起鈦鋼復合板的應用高潮。

4 結語

經過幾十年的發展，鈦鋼復合板的各種生產技術已日趨成熟。由于熱軋復合法是一種效率高、節約成本且對環境友好的生產技術，目前大多數鈦鋼復合板的生產都采用熱軋復合法進行加工，許多圍繞鈦鋼復合板的科學研究和試驗也在不斷開展。海洋工程先進材料是實現海洋戰略的物質基礎之一，鈦鋼復合板是船舶及海洋工程裝備建造的理想金屬材料，在船舶及海洋工程領域中有著十分廣闊的應用和發展前景，從而為推進海洋強軍、海洋強國的戰略目標作貢獻。

[1] SU Hang, Luo Xiaobing, Chai Feng, et al. Manufacturing Technology and Application Trends of Titanium Clad Steel Plates[J]. Journalof iron and steel research, international, 2015, 22(11): 977-982.

[2] Rozumek D, Ban R. Crack growth rate under cyclic bending in the explosively welded steel/titanium bimetals [J]. Materials and Design, 2012, 38: 139-146.

[3] 韓麗青, 王自東, 林國標, 等. 爆炸復合TA2/316L板的組織和性能研究[J]. 材料熱處理學報, 2008, 29(2): 107-110 .

[4] 翟偉國, 王少剛, 羅傳孝. 鈦-鋼爆炸復合板的微觀組織結構及力學性能[J]. 壓力容器, 2012, 29(9): 7-12.

[5] 張越舉, 楊旭升, 李曉杰, 等. 鈦/鋼復合板爆炸焊接實驗[J]. 爆炸與沖擊，2012, 32(1): 103-107.

[6] 韓小敏, 王少剛, 黃 燕, 等. TA10-Q345R爆炸復合板的界面微觀結構及力學性能[J]. 壓力容器, 2015, 32(6): 25-29.

[7] Saboktakin M, Razavi G R, Monajati H. The Investigate Metallurgical Properties of Roll Bonding Titanium Clad Steel[J]．International Journal of Applied Physics and Mathematics, 2011, 1(3):177-179.

[8] 王光磊. 加熱溫度對熱軋復合鈦/不銹鋼板結合性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(2): 387-391.

[9] 王敬忠, 顏學柏, 王韋琪, 等. 帶夾層材料的爆炸-軋制鈦鋼復合板工藝研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(2): 309-313.

[10] Jiang Haitao, Yan Xiaoqian, Liu Jixiong, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical property of Tisteel explosive-rolling clad plate[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2014, 24: 697-704.

[11] 王敬忠, 顏學柏, 王韋琪, 等. 軋制鈦-鋼復合板工藝綜述[J]. 材料導報, 2005, 19(4): 61-63.

[12] Zhao Dongsheng, Yan Jiuchun, Liu Yujun, et al. Interfacial structure and mechanical properties of hot-roll bonded joints between titanium alloy and stainless steel using niobium interlayer [J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2014, 24: 2839-2844.

[13] 馬英, 容耀, 王敬忠. 軋制鈦/鋼復合板過渡層的研究[J]. 鈦工業進展, 2010, 27(2): 24-27.

[14] Jiang Haitao, Yan Xiaoqian, Liu Jixiong,et al．Influence of Asymmetric Rolling Parameters on the Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Explosive Clad Plate[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(11): 2631-2636.

[15] 錢江, 王怡, 李瑤. 鈦及鈦合金在國外艦船上的應用[J]. 艦船科學技術, 2016, 38(6): 1-6.

[16] 常輝, 王向東, 周廉. 鈦合金及其在艦船裝備上的應用現狀與趨勢[J]. 中國材料進展, 2014, 33(9/10): 603-607.

2016-10-08

胡杰(1981—)，男，講師，碩士，研究方向為船舶與海洋工程制造。

U671.7

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