鈦鋼復合板的制備技術進展及應用

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

攀枝花是著名的中國釩鈦之都，這里蘊藏著豐富的釩鈦資源，其中釩資源儲量居全國第一、世界第四，鈦資源儲量居世界首位[1-3]。然而，攀枝花的鈦產業目前主要集中在附加值較低的鈦精礦、鈦白粉和海綿鈦等上游鈦原料產業，下游的鈦及鈦合金、鈦制品等仍處于起步發展階段，總體呈低端鈦材產能過剩，高端鈦產品太少的現象。如果單一進行鈦合金及鈦材制造，一是技術上有瓶頸，同時在國內也不能凸顯攀枝花的資源優勢。再者，攀鋼是我國鋼鐵行業的明星企業，其生產的鋼軌、鋼板、鋼帶等產品種類繁多、性能優良。因此，若將鈦與攀枝花本地的鋼材產品進行復合加工制備鈦鋼復合材料，既能發揮鈦資源獨特優勢，又能消化本地企業產品，降低成本，這將是攀枝花經濟社會發展轉型的一個重要驅動。鑒于此，本文綜述了目前鈦鋼復合板生產制備的主流工藝技術，分析了各項技術的特點，指出了其未來的發展趨勢。

1 鈦鋼復合板的制備方法

1.1 軋制法

軋制復合法是在一定的高溫下，利用軋制時產生的高壓而使不同的金屬材料實現焊合的過程。按軋制溫度不同，軋制復合法可分成冷軋與熱軋。冷軋工藝較簡單，可實現多種金屬板材的精密結合，但對軋機設備的性能要求較高。熱軋復合法是基板和復合板進行疊加組坯，然后加熱到一定溫度后進行軋制，在高溫高壓的協同作用下實現基板和復合板的堅固結合，是目前行業中大規模生產大面積鈦鋼復合板的主流技術[4]。

鈦鋼復合板軋制成型的工藝步驟主要為：①選擇適宜的基板、中間層、復板。

主要遵循以下3個原則：一是抑制碳和鐵的相互擴散，二是實現良好的冶金結合，三是為了提升現有設備的加工能力。②選擇合適的隔離材料。對稱軋制時，在復板的背面涂刷一層厚度為10～35μm的隔離材料，避免復板的背面粘合和表面起皺。常用的隔離材料主要有三氧化二鉻、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鐵、二氧化硅、水玻璃等。③表面處理。在組坯之前，把待結合的表面加工成0.01～3mm的齒狀，或者在鋼的結合面上加工出30～90μm的粗糙度。④組料方式。通常情況下，采用對稱軋制或重疊軋制法制備的復合板材都需要預先組坯，以提高復合板材的品質和成品率。⑤加熱。加熱溫度一般高于700℃，低于900℃。在均勻加熱的基礎上，加熱時間應盡量縮短，具體要據坯料大小、加熱效率、中間層的成分而定。⑥軋制。金屬薄片為中間層的，道次壓下率要大于10%，累積變形量為大于70%；液相擠出的軋制，對第一道次要作下地處理，且變形量要大于10%。⑦熱處理。影響軋制溫度的因素有很多，比如軋制方式、坯料尺寸、加熱溫度等，需對軋制溫度或軋后冷卻速度進行精確控制，以提高復合板的界面強度。⑧矯平。鈦、鋼的熱膨脹系數相差較大，復合板在成型后容易向鋼一側彎曲，使用前要對鈦鋼復合板進行矯平[5]。

軋制法主要用來制備大尺寸鈦鋼復合板和薄板，產品尺寸精確，材料利用率高，生產成本較低，環境污染較小，但該工藝過程要求十分嚴格。

1.2 真空制坯熱軋復合法

真空制坯熱軋復合法可將熱膨脹系數、熔點、強度等性能差異較大的金屬進行冶金結合形成金屬間多層復合板，使復合板具有優異性能，從而滿足不同的使用要求[6]。以普通碳鋼為基材，鈦及鈦合金作覆材的鈦鋼復合板，其耐蝕性、強度、塑性較好，金屬鈦用量較少，生產成本低，在市場上的需求較高。真空熱軋復合方法的基本工藝流程見圖1。首先對金屬板材進行表面處理，然后將板材界面四周進行焊接密封，僅留一個小孔用來抽真空。達到一定真空度后對小孔進行完全密封，隨即進行熱軋。此方法工藝簡單，生產成本低廉，但界面易氧化、真空度不夠高，造成界面強度低。

圖1 焊接后抽真空的真空熱軋復合方法[6]

為了解決上述真空熱軋復合法制備鈦鋼復合材料的不足，人們在制坯過程中引入真空電子束焊接，即在真空下將高速運動的電子束打到焊縫上，動能轉換成熱能，對金屬進行熔化焊接。其工藝路線如圖2。與傳統熱軋復合法相比，真空電子束焊接保證了焊接、加熱、軋制過程中的界面高真空避免氧化，實現復合板材良好的界面冶金結合。

圖2 真空制坯軋制復合過程[6]

東北大學采用了真空電子束制坯熱軋復合法成功制備了鈦鋼復合板，其工藝流程見圖3所示。由于鈦板和鋼板直接焊接時易生成脆性化合物，影響密封性，如何保證界面處于高真空狀態顯得尤為重要。

圖3 工藝流程[6]

1.3 爆炸焊接法

爆炸焊接法是利用炸藥產生的能量，使被焊金屬表面發生高速傾斜碰撞，在撞擊面上形成一薄層的金屬塑性變形、以及適量的熔化和原子間的相互擴散等過程而形成冶金結合，其原理見圖4。

圖4 爆炸焊接原理示意圖[7]

爆炸焊接的工藝步驟主要為：安放板材、涂刷黃油、炸藥布置、雷管安裝、引爆，其工藝流程如圖5所示。

圖5 爆炸焊接工藝流程[7]

在爆炸焊接的過程中，板材界面同時受到熱和爆炸載荷力的作用，使界面結合區存在著塑性變形、局部熔化、原子擴散等現象，從而使爆炸焊接具備壓力焊、熔化焊、擴散焊的一些特點。與其它焊接法相比，爆炸焊接是一種工藝流程簡單、能源來源充足、成品性能優良、成本低廉、實用性強、用途較為廣泛的焊接技術，在相關領域獲得了較廣泛的應用，但機械化程度較低，作業過程受天氣所限，容易產生噪音污染和環境污染。

1.4 爆炸-軋制復合法

爆炸復合法在生產厚板和小面積金屬復合板方面具有優勢地位，軋制復合法在生產薄板和大尺寸金屬復合板方面具有較廣闊應用領域。因此，為增大復合板的尺寸，可以采用爆炸-軋制的方法制備鋼鈦復合板，即在爆炸復合技術制得金屬復合板后，再利用軋制工藝增大復合板的面積。

為此，研究人員做了大量相關的研究工作。王敬忠等人采用爆炸+軋制的方法得到鈦鋼復合板，首先以爆炸焊接的方式使鈦板與鋼板結合，然后按對稱的方式組成料坯，采用熱軋的方式使鈦鋼與碳鋼結合。研究結果表明，當軋制溫度為830℃時，鈦鋼復合板界面的剪切強度高達265MPa。李平倉等人以Gr1/Q235B爆炸復合板為對象，研究了不同軋制工藝下鈦鋼復合板的力學性能變化，結果表明當開軋溫度為850～800℃時，鈦鋼復合板的結合性能較好。劉潤生等人采用爆炸-軋制法制備出了鈦鋼復合板，復合板的界面結合強度大于210MPa，而且彎曲實驗均未發生開裂[8]。

1.5 擴散焊接法

擴散焊接法是一種利用原子相互擴散來實現結合的方法。具體來說，指在一定的溫度、壓力下使待焊接的多種材料表面相互接觸，通過發生微觀塑性變形或者在待焊接材料表面產生液相而擴大接觸面積，并使兩者之間的距離達到（1～5）×10-8cm以內，使金屬原子間的引力開始起作用形成金屬鍵，獲得具備一定強度的復合材料接頭，從而實現材料表面的完美結合。

由于鈦和鋼的基本性質差別較大，兩者之間的固溶度小，在一定溫度下，鋼中的碳就非常容易和鈦板中的鈦形成脆性化合物分布在鋼鈦界面上，從而導致鋼鈦復合板的性能較差[9]。基于此，在利用擴散焊接制備鈦鋼復合板的過程中，通常在鋼板和鈦板之間加中間層，其工藝流程見圖6。

圖6 擴散焊接工藝流程及安裝簡圖[9]

利用該方法制備鈦鋼具有以下特點：工藝參數較易控制，產品質量較穩定，成品材料的尺寸精度高，材料的利用效率高，環境污染少。但存在著焊接裝備要求高，熱循環時間較長，生產效率較低，投資成本高等問題。

1.6 鋼帶電子束鍍鈦膜

利用電子束蒸鍍技術在鋼帶表面連續鍍膜是一種先進的表面處理工藝，主要是通過電子束物理氣相沉積的方法在鋼帶（也可以是鋁帶、銅帶等金屬帶材）表面形成一層致密的功能涂層，包括防腐涂層、光學涂層、催化涂層和硬質涂層等。通俗地講就是在真空條件下利用電子束加熱坩堝中的靶材，使之蒸發并沉積在鋼帶表面，從而獲得不同用途的帶鋼鍍膜表面產品。電子束帶鋼鍍膜基本原理如圖7所示。

圖7 電子束鋼帶鍍膜原理

鋼帶電子束鍍膜生產工藝流程主要包括：首先，啟動真空系統（由真空泵組成）對各大真空單元進行抽真空，使其真空度達到穩定工作要求。然后，啟動電子槍加熱熔化坩堝中的蒸鍍材料，達到穩定蒸發狀態后，啟動預處理和輔助沉積等裝置。最后，開卷進行連續真空鍍膜。“卷對卷”工作模式的鍍膜流程為：開卷-進入壓差室-真空預處理-真空鍍膜-真空冷卻-出壓差室-收卷。目前，攀枝花學院已利用電子束技術在鋼帶表面成功連續蒸鍍鈦膜，制備了性能優良的鋼鈦復合材料。

2 鈦鋼復合板的應用領域

2.1 設備制造領域

鈦鋼復合板在設備領域的應用主要包含：石油精煉工廠的真空塔、蒸餾塔、熱交換器、精對苯二甲酸氧化反應器，化工廠的各種反應塔、沉析槽、攪拌器等，紡織印染工業和造紙工業的漂白處理槽，污水處理廠的次亞氯鹽酸苛刻鈉處理槽，真空制鹽工業的制鹽裝置、蒸發罐，核電廠用鈦冷凝器管板，海水淡化裝備等。

2.2 海洋土木領域

鈦在海水中基本不易被腐蝕，對生物體無毒性，對生態環境亦無影響，是一種環境友好型材料。由鈦板和鋼板復合而成的鈦鋼復合板的耐蝕性好，強度高，成本低，可用作海洋土木領域中鋼構造物的防蝕材。日本設立了超大型浮式技術研究小組，對數公里規模耐用100年的超大型浮式海洋構筑物進行了理論研究和實地試驗，在海水飛沫沖刷處使用了大量的鈦鋼復合材[10]。

3 結語

隨著鈦鋼復合板制備技術的不斷進步和設備制造技術的發展，鈦鋼復合板的種類和型號將不斷增多，性能將不斷提升，生產成本將不斷降低，應用領域將不斷拓寬，市場需求也將進一步擴大。