層狀Ti/Steel復合材料成形技術的應用研究

張 明，蔡俊清

（陜西機電職業技術學院，陜西 寶雞 721001）

1 層狀Ti/Steel復合材料

隨著機械裝備越來越多地在復雜工況條件下使用，單一的原材料已無法滿足裝備制造業的發展。層狀金屬復合材料是指將兩種或兩種以上性能不同的金屬原材料通過一定的成形技術，實現性能穩定的、尺寸連續的結合而制備出的一種新型復合材料。層狀金屬復合材料仍然保持了原材料各自原有的特性，但其綜合性能優于原有的單一材料。

層狀Ti/Steel復合材料是以鋼為基層，以鈦為復層的復合材料。鈦及其合金由于具有密度小、比強度高以及出色的耐蝕性能等優點，被廣泛用于石油化工、海洋工程和航空航天等領域中。但是，鈦及其合金的使用成本相對較高，導致其不能大規模推廣使用，而合金鋼作為一種制備技術成熟的原材料，在使用過程中表現出了較好的經濟性。層狀Ti/Steel復合材料既具有鈦合金比強度高、耐蝕性能好等物理、化學性能上的優點，又具有合金鋼的強度高和塑性好等力學性能上的優點，因而可以滿足裝備制造、石油化工、海洋工程等諸多領域對原材料使用性能和使用成本的要求。因此，層狀Ti/Steel復合材料在許多領域中有著廣泛的應用前景。

2 層狀Ti/Steel復合材料的成形方法

目前，國內外生產層狀Ti/Steel復合材料的方法有四種：軋制復合，擴散復合，爆炸復合，爆炸-軋制復合。

2.1 軋制復合

軋制復合法是層狀Ti/Steel復合材料成形的主要方法。使用軋制方法生產層狀Ti/Steel復合材料時，鈦板與鋼板直接組坯，軋制難以貼合，結合強度不高。另外，在軋制過程中，Ti/Steel界面處會產生脆性的金屬間化合物，如TiC、TiFe、TiFe2等。這些金屬間化合物猶如雜質相，使界面的結合性能嚴重下降。影響層狀Ti/Steel復合材料產品質量的主要因素就是界面上形成的這些金屬間化合物。因而采用軋制法生產層狀Ti/Steel復合材料時，要控制界面層生成TiC、TiFe、TiFe2的影響因素[1]。

控制金屬間化合物生成的主要方法可以分為兩種：1）抑制原材料中C元素和Fe元素的擴散，降低其在界面處的濃度；2）利用加熱方法，延長共晶反應時間，生成低溫的液相，通過軋制壓力，將這些液相擠出材料界面，從而得到無雜質的金屬界面，以實現良好的冶金結合。軋制復合法的主要優點有兩點，首先，可以通過軋制得到大尺寸的層狀Ti/Steel復合材料，或生產較薄的層狀Ti/Steel復合材料，使高成本的鈦材料可以滿足人們對日常消費品的生產需求；其次，和爆炸復合法相比，軋制法符合當下綠色環保的生產理念，生成的污染物少且得到的產品尺寸精確，可以提高經濟效益和社會效益。其主要缺點是工藝的各環節要求嚴格，操作水平要求較高[2]。

2.2 擴散復合

層狀Ti/Steel復合材料的擴散復合（diffusion welding，DW）是在加熱、加壓條件下使Ti與Steel的表面相互接觸擠壓，Ti/Steel界面上產生的微量液相在保溫過程中逐漸擴大，然后Ti、Steel原材料中的元素在液相中經較長時間的相互擴散來實現充分融合，最終冷卻下來，使Ti與Steel這兩種性能不同的材料實現緊密結合。工程領域采用擴散復合法成形層狀Ti/Steel復合材料的案例并不多見。

擴散復合法的優點是：工藝參數的控制容易，工藝精度較高；成形過程中的變形小，尺寸精度高，產品質量穩定；材料的使用率高，有利于節約貴重金屬；對環境污染也較少。缺點是：成形時間長，生產效率低；產品的尺寸受設備大小的限制；對原材料表面的光潔程度要求高；一般需專用設備，一次性投資大。

2.3 爆炸復合

爆炸復合(explosive welding，XW)，是以TNT爆炸波作為動力，利用爆炸時產生的沖擊使兩層不同的原材料在高速傾斜碰撞下結合在一起的成形方法。爆炸復合是前蘇聯科學家L.R.Carl首先提出來的，他利用TNT的爆炸波使兩種不同的材料在相互碰撞下實現永久結合，于是提出了利用爆炸技術把不同的金屬復合在一起的方法。隨后，美國的學者Philip chuk把爆炸復合技術應用到實際的產品加工過程中，實現了鋁-鋼復合板的爆炸復合。之后，關于爆炸復合的理論、技術研究以及工程應用便在英國、德國、捷克、日本等國家迅速展開。

中國早在20世紀60年代就開始進行爆炸復合成形技術的研究，1968年，我國大連造船廠成功地試制了國內第一塊爆炸態復合板。自20世紀80年代以來，隨著國內對極端工況下服役裝備的需求增加，亟需一種能夠便捷高效地生產層狀復合材料的技術，這導致了我國爆炸復合技術的理論研究和試驗技術飛速發展，也推動了爆炸復合法在層狀Ti/Steel復合材料成形中的應用。爆炸復合法在層狀Ti/Steel復合材料成形過程具有得天獨厚的優勢，它的生產成本低，對成形環境和場地的要求不高，可以方便高效地進行生產，在層狀Ti/Steel復合材料的成形方法中，具有成本、產量、規模上的巨大優勢。當然，爆炸復合法成形的層狀Ti/Steel復合材料質量不易控制，良品率不高，對原材料的浪費較大，這些都是爆炸復合技術研發人員需要攻克的難題。

2.4 爆炸-軋制復合

爆炸-軋制復合法結合了爆炸復合法與軋制復合法的優點。首先利用爆炸復合法生產層狀Ti/Steel復合材料的坯料，這種坯料的品質不高，再利用輥軋機，對層狀Ti/Steel復合材料的坯料進行熱軋，從而得到一定尺寸規格的Ti/Steel復合材料。這種方法避免了爆炸復合的缺點，充分發揮了軋制復合法的優點，能夠成形大尺寸的層狀Ti/Steel復合材料。

3 層狀Ti/Steel復合材料的界面

界面（結合面）是層狀Ti/Steel復合材料極其重要的組成部分，如圖1所示。金屬復合材料的性能與界面性質密切相關，能否形成結合效果優異的Ti/Steel界面，是決定層狀Ti/Steel復合材料使用性能的關鍵點。

圖1 層狀Ti/Steel復合材料界面

因此，只有深入研究層狀Ti/Steel復合材料界面的微觀形狀、尺寸、化學缺陷與結構缺陷等因素，才能在更深的層次上理解Ti/Steel界面與層狀Ti/Steel復合材料性能之間的關系，進一步通過提升Ti/Steel界面的結合效果來生產更高性能的Ti/Steel復合材料，解決層狀Ti/Steel復合材料成形過程中的難點。

首先，從化合物的角度來看，隨著界面處來自于不同原材料的元素在較高溫度下長時間的擴散，界面處將發生惡劣的化學反應，產生一定的Ti-Fe、Ti-C、Fe-C等類型的化合物，從而對層狀Ti/Steel復合材料的性能與結合壽命等性質產生重大影響。用熱力學原理進行解讀，可以認為，界面中生成哪些化合物取決于化合物特定的生成焓，生成焓越低的化合物越容易生成[3]。

其次，從斷裂力學的角度來看，Ti/Steel界面的開裂主要是裂紋擴展造成的，界面處裂紋的擴展本質上主要是不同原材料的熱膨脹系數(CTE)、彈性應變以及塑性應變的不一致造成的。層狀Ti/Steel復合材料對裂紋擴展的抵抗能力受到3個因素的影響，即Ti/Steel彈性殘余應變的差異、Ti/Steel界面結合能的大小、Ti/Steel彈性模量的差異。當Ti/Steel彈性殘余應變的差異大時，有利于界面處裂紋的擴展；當Ti/Steel界面的結合能大時，裂紋不容易擴展，難于穿透界面；當Ti/Steel模量差異大時，裂紋擴展到達界面時，會受到阻礙。工程中可以使用“界面斷裂能”或“界面結合能”來表征裂紋沿界面擴展的難易程度，即將單位面積的結合界面剝離時所需做的功，“界面斷裂能”或“界面結合能”越大，則裂紋擴展難度越大，界面結合效果越好。

4 層狀Ti/Steel復合材料的應用

4.1 復合板

Ti/Steel復合板具有優良的耐蝕性能與力學性能，因此，自20世紀五六十年代起，日、美、德、英等國家都很重視復合鋼板的開發及使用，從生產工藝、使用性能、檢驗方法等方面進行了大量的研究，從而使Ti/Steel復合板產品在能源、造船、化工、石油和機械等領域得到了廣泛的應用[4]。

1950年，美國最早開始了Ti/Steel復合板的研究，工程化生產始于20世紀60年代。20世紀60—70年代，英國伯明翰大學等單位對固相復合進行了較為系統的研究，為Ti/Steel復合板的研究提供了充足的理論依據，在此取得了很大成就。20世紀80年代，俄羅斯也對TA1、TA2等鈦金屬與不銹鋼的復合材料進行了初步研究，所采用的工藝主要有軋制法、鑄造法、爆炸法、擴散焊接法等。

日本在Ti/Steel復合材料方面的研究雖較晚，但進步迅速，近年來，成為從事金屬復合材料研究最多的國家之一。作為目前Ti/Steel復合板的主要生產國，日本的Ti/Steel復合板主要生產工藝是爆炸法與爆炸-軋制法，年產量在20萬噸以上。

目前，世界上在有色金屬/鋼復合板的研究和應用領域取得顯著成果的國家有美、日、俄、英、德等。其主要材料品種除Ti/Steel復合板外，還有含有銅、鋁、鈦、鎳、鋯等金屬組分的層狀復合板、復合棒等。

4.2 復合管

國外雙金屬復合管的工業應用較為廣泛，德國BUTTING公司生產的機械復合管已有上千公里應用于歐洲、北美以及亞洲等國的海底和陸上油氣管道；英國Proclad公司生產的冶金復合管也在全球許多國家得到應用。BUTTING公司自20世紀80年代中期以來就開始生產冶金復合管，從挪威和美洲一直到澳大利亞和馬來西亞，都有該公司用各種復合材料做成的外雙金屬復合管。自1987年以來，BUTTING公司已向50多個項目提供了優質的復合材料管。Ti/Steel復合管道自1991年投入使用以來，經過30余年的發展，在石油產品輸送、煉化行業獲得了廣泛認可，美國石油協會(API)也已經制定了雙金屬復合管道鋼規范(API 5LD)。

我國對此類金屬復合管的研究始于20世紀60年代，目前基礎研究水平和小規模化產品接近國外先進水平，但在生產技術的成熟性、產品的種類、大規模的生產及生產裝備等方面與國外相比存在較大差距。這導致長期以來，薄復層、大幅面金屬復合管生產技術被歐美等少數發達國家所掌握。我國的薄復層、大幅面金屬復合管材必須依賴進口，且金屬復合管年產量較低，產品價格偏高。因此，我國還需要進一步地加大研發投入，以求研制出高品質的金屬復合管，投入大規模使用。

5 結論

層狀Ti/Steel復合材料是以鋼為基層、以鈦為復層的復合材料，它既保持了鈦優異的耐蝕性、密度小的優點，又具有合金鋼的高強度和較好塑性，其綜合性能優異，產品的使用成本低，有著廣泛的應用前景。生產層狀Ti/Steel復合材料主要的方法包括軋制復合、擴散復合、爆炸復合和爆炸-軋制復合4種工藝。層狀Ti/Steel復合材料的界面性能是影響其品質的關鍵因素，其界面性能受界面處生成的化合物影響，工程實踐中，用裂紋擴展的難易程度來表征界面的性能，在層狀Ti/Steel復合材料成形過程中應避免界面化合物的生成和裂紋擴展[5]。層狀Ti/Steel復合材料的主要應用包括復合板和復合管兩種產品。