層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形技術(shù)的應(yīng)用研究

張 明，蔡俊清

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

1 層狀Ti/Steel復(fù)合材料

隨著機(jī)械裝備越來越多地在復(fù)雜工況條件下使用，單一的原材料已無法滿足裝備制造業(yè)的發(fā)展。層狀金屬復(fù)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(shù)，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的、尺寸連續(xù)的結(jié)合而制備出的一種新型復(fù)合材料。層狀金屬復(fù)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(yōu)于原有的單一材料。

層狀Ti/Steel復(fù)合材料是以鋼為基層，以鈦為復(fù)層的復(fù)合材料。鈦及其合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高以及出色的耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于石油化工、海洋工程和航空航天等領(lǐng)域中。但是，鈦及其合金的使用成本相對較高，導(dǎo)致其不能大規(guī)模推廣使用，而合金鋼作為一種制備技術(shù)成熟的原材料，在使用過程中表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)性。層狀Ti/Steel復(fù)合材料既具有鈦合金比強(qiáng)度高、耐蝕性能好等物理、化學(xué)性能上的優(yōu)點(diǎn)，又具有合金鋼的強(qiáng)度高和塑性好等力學(xué)性能上的優(yōu)點(diǎn)，因而可以滿足裝備制造、石油化工、海洋工程等諸多領(lǐng)域?qū)υ牧鲜褂眯阅芎褪褂贸杀镜囊?。因此，層狀Ti/Steel復(fù)合材料在許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的成形方法

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的方法有四種：軋制復(fù)合，擴(kuò)散復(fù)合，爆炸復(fù)合，爆炸-軋制復(fù)合。

2.1 軋制復(fù)合

軋制復(fù)合法是層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形的主要方法。使用軋制方法生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料時，鈦板與鋼板直接組坯，軋制難以貼合，結(jié)合強(qiáng)度不高。另外，在軋制過程中，Ti/Steel界面處會產(chǎn)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(zhì)相，使界面的結(jié)合性能嚴(yán)重下降。影響層狀Ti/Steel復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)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(kuò)散，降低其在界面處的濃度；2）利用加熱方法，延長共晶反應(yīng)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(zhì)的金屬界面，以實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。軋制復(fù)合法的主要優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)，首先，可以通過軋制得到大尺寸的層狀Ti/Steel復(fù)合材料，或生產(chǎn)較薄的層狀Ti/Steel復(fù)合材料，使高成本的鈦材料可以滿足人們對日常消費(fèi)品的生產(chǎn)需求；其次，和爆炸復(fù)合法相比，軋制法符合當(dāng)下綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念，生成的污染物少且得到的產(chǎn)品尺寸精確，可以提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。其主要缺點(diǎn)是工藝的各環(huán)節(jié)要求嚴(yán)格，操作水平要求較高[2]。

2.2 擴(kuò)散復(fù)合

層狀Ti/Steel復(fù)合材料的擴(kuò)散復(fù)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(chǎn)生的微量液相在保溫過程中逐漸擴(kuò)大，然后Ti、Steel原材料中的元素在液相中經(jīng)較長時間的相互擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。工程領(lǐng)域采用擴(kuò)散復(fù)合法成形層狀Ti/Steel復(fù)合材料的案例并不多見。

擴(kuò)散復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝參數(shù)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；材料的使用率高，有利于節(jié)約貴重金屬；對環(huán)境污染也較少。缺點(diǎn)是：成形時間長，生產(chǎn)效率低；產(chǎn)品的尺寸受設(shè)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(shè)備，一次性投資大。

2.3 爆炸復(fù)合

爆炸復(fù)合(explosive welding，XW)，是以TNT爆炸波作為動力，利用爆炸時產(chǎn)生的沖擊使兩層不同的原材料在高速傾斜碰撞下結(jié)合在一起的成形方法。爆炸復(fù)合是前蘇聯(lián)科學(xué)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(shí)現(xiàn)永久結(jié)合，于是提出了利用爆炸技術(shù)把不同的金屬復(fù)合在一起的方法。隨后，美國的學(xué)者Philip chuk把爆炸復(fù)合技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品加工過程中，實(shí)現(xiàn)了鋁-鋼復(fù)合板的爆炸復(fù)合。之后，關(guān)于爆炸復(fù)合的理論、技術(shù)研究以及工程應(yīng)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(jì)60年代就開始進(jìn)行爆炸復(fù)合成形技術(shù)的研究，1968年，我國大連造船廠成功地試制了國內(nèi)第一塊爆炸態(tài)復(fù)合板。自20世紀(jì)80年代以來，隨著國內(nèi)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(chǎn)層狀復(fù)合材料的技術(shù)，這導(dǎo)致了我國爆炸復(fù)合技術(shù)的理論研究和試驗(yàn)技術(shù)飛速發(fā)展，也推動了爆炸復(fù)合法在層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形中的應(yīng)用。爆炸復(fù)合法在層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形過程具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，它的生產(chǎn)成本低，對成形環(huán)境和場地的要求不高，可以方便高效地進(jìn)行生產(chǎn)，在層狀Ti/Steel復(fù)合材料的成形方法中，具有成本、產(chǎn)量、規(guī)模上的巨大優(yōu)勢。當(dāng)然，爆炸復(fù)合法成形的層狀Ti/Steel復(fù)合材料質(zhì)量不易控制，良品率不高，對原材料的浪費(fèi)較大，這些都是爆炸復(fù)合技術(shù)研發(fā)人員需要攻克的難題。

2.4 爆炸-軋制復(fù)合

爆炸-軋制復(fù)合法結(jié)合了爆炸復(fù)合法與軋制復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)。首先利用爆炸復(fù)合法生產(chǎn)層狀Ti/Steel復(fù)合材料的坯料，這種坯料的品質(zhì)不高，再利用輥軋機(jī)，對層狀Ti/Steel復(fù)合材料的坯料進(jìn)行熱軋，從而得到一定尺寸規(guī)格的Ti/Steel復(fù)合材料。這種方法避免了爆炸復(fù)合的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了軋制復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)，能夠成形大尺寸的層狀Ti/Steel復(fù)合材料。

3 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的界面

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

圖1 層狀Ti/Steel復(fù)合材料界面

因此，只有深入研究層狀Ti/Steel復(fù)合材料界面的微觀形狀、尺寸、化學(xué)缺陷與結(jié)構(gòu)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(fù)合材料性能之間的關(guān)系，進(jìn)一步通過提升Ti/Steel界面的結(jié)合效果來生產(chǎn)更高性能的Ti/Steel復(fù)合材料，解決層狀Ti/Steel復(fù)合材料成形過程中的難點(diǎn)。

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(kuò)散，界面處將發(fā)生惡劣的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)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(fù)合材料的性能與結(jié)合壽命等性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。用熱力學(xué)原理進(jìn)行解讀，可以認(rèn)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(xué)的角度來看，Ti/Steel界面的開裂主要是裂紋擴(kuò)展造成的，界面處裂紋的擴(kuò)展本質(zhì)上主要是不同原材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)、彈性應(yīng)變以及塑性應(yīng)變的不一致造成的。層狀Ti/Steel復(fù)合材料對裂紋擴(kuò)展的抵抗能力受到3個因素的影響，即Ti/Steel彈性殘余應(yīng)變的差異、Ti/Steel界面結(jié)合能的大小、Ti/Steel彈性模量的差異。當(dāng)Ti/Steel彈性殘余應(yīng)變的差異大時，有利于界面處裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)Ti/Steel界面的結(jié)合能大時，裂紋不容易擴(kuò)展，難于穿透界面；當(dāng)Ti/Steel模量差異大時，裂紋擴(kuò)展到達(dá)界面時，會受到阻礙。工程中可以使用“界面斷裂能”或“界面結(jié)合能”來表征裂紋沿界面擴(kuò)展的難易程度，即將單位面積的結(jié)合界面剝離時所需做的功，“界面斷裂能”或“界面結(jié)合能”越大，則裂紋擴(kuò)展難度越大，界面結(jié)合效果越好。

4 層狀Ti/Steel復(fù)合材料的應(yīng)用

4.1 復(fù)合板

Ti/Steel復(fù)合板具有優(yōu)良的耐蝕性能與力學(xué)性能，因此，自20世紀(jì)五六十年代起，日、美、德、英等國家都很重視復(fù)合鋼板的開發(fā)及使用，從生產(chǎn)工藝、使用性能、檢驗(yàn)方法等方面進(jìn)行了大量的研究，從而使Ti/Steel復(fù)合板產(chǎn)品在能源、造船、化工、石油和機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

1950年，美國最早開始了Ti/Steel復(fù)合板的研究，工程化生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)60—70年代，英國伯明翰大學(xué)等單位對固相復(fù)合進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為Ti/Steel復(fù)合板的研究提供了充足的理論依據(jù)，在此取得了很大成就。20世紀(jì)80年代，俄羅斯也對TA1、TA2等鈦金屬與不銹鋼的復(fù)合材料進(jìn)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(kuò)散焊接法等。

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

目前，世界上在有色金屬/鋼復(fù)合板的研究和應(yīng)用領(lǐng)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(fù)合板外，還有含有銅、鋁、鈦、鎳、鋯等金屬組分的層狀復(fù)合板、復(fù)合棒等。

4.2 復(fù)合管

國外雙金屬復(fù)合管的工業(yè)應(yīng)用較為廣泛，德國BUTTING公司生產(chǎn)的機(jī)械復(fù)合管已有上千公里應(yīng)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(chǎn)的冶金復(fù)合管也在全球許多國家得到應(yīng)用。BUTTING公司自20世紀(jì)80年代中期以來就開始生產(chǎn)冶金復(fù)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(fù)合材料做成的外雙金屬復(fù)合管。自1987年以來，BUTTING公司已向50多個項(xiàng)目提供了優(yōu)質(zhì)的復(fù)合材料管。Ti/Steel復(fù)合管道自1991年投入使用以來，經(jīng)過30余年的發(fā)展，在石油產(chǎn)品輸送、煉化行業(yè)獲得了廣泛認(rèn)可，美國石油協(xié)會(API)也已經(jīng)制定了雙金屬復(fù)合管道鋼規(guī)范(API 5LD)。

我國對此類金屬復(fù)合管的研究始于20世紀(jì)60年代，目前基礎(chǔ)研究水平和小規(guī)模化產(chǎn)品接近國外先進(jìn)水平，但在生產(chǎn)技術(shù)的成熟性、產(chǎn)品的種類、大規(guī)模的生產(chǎn)及生產(chǎn)裝備等方面與國外相比存在較大差距。這導(dǎo)致長期以來，薄復(fù)層、大幅面金屬復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)被歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國家所掌握。我國的薄復(fù)層、大幅面金屬復(fù)合管材必須依賴進(jìn)口，且金屬復(fù)合管年產(chǎn)量較低，產(chǎn)品價格偏高。因此，我國還需要進(jìn)一步地加大研發(fā)投入，以求研制出高品質(zhì)的金屬復(fù)合管，投入大規(guī)模使用。

5 結(jié)論

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