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宝鸡钛包铜厂家谈钛钢复合板的四种制备方法
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宝鸡钛包铜厂家谈钛钢复合板的四种制备方法

发布时间 :2021-11-05 11:48:59 浏览次数 :

因为钛和钢的塑性变形能力和热膨胀系数相差较大,所以钛和钢的复合难度较大。目前,钛/钢复合板的主要制备方法有爆炸复合法、爆炸‒轧制复合法、扩散复合法和热轧复合法。

1、爆炸复合法

爆炸复合法是以炸药为能源,利用爆炸产生的冲击力使两层或者多层金属板材发生剧烈碰撞、塑性变形、熔化以及原子间的互扩散,实现界面牢固结合的一种金属复合板制备方法。爆炸复合坯料的装配方法有平行法和角度法两种,平行法适用于大面积金属复合板,角度法适用于高爆速炸药和小面积金属复合板,其装配情况如下图所示 。

爆炸复合法装配示意图

爆炸复合法制备的钛/钢复合板的界面呈连续而规则的波形,该波形由前涡和后涡组成。尽管波形界面组织的存在可改善钛/钢复合板沿爆炸方向的结合质量,但波形前涡尖端易包裹Fe2、FeTi和 TiC 等金属间化合物,这些金属间化合物周围常伴有微裂纹产生,会降低界面结合强度。

爆炸载荷对钛/钢复合板的界面结合强度、界面组织和金属间化合物影响较大。 爆炸载荷较低时,界面的波形平缓,振幅较小;随着爆炸载荷增大,界面的波形振幅也逐渐增大,界面处熔化的金属比例增大,界面结合更紧密;但增大爆炸载荷也会促使界面生成金属间化合物,损害界面结合强度。

爆炸复合时,界面碰撞的动能损失和界面金属间化合物的生成也会降低钛/钢复合板的界面结合强度. Manikandan等采用增加不同厚度过渡层金属的方法控制爆炸复合时界面的能量损失,发现添加薄的过渡层金属可产生没有金属间化合物的钛/钢界面,当过渡层金属厚度增大时,界面金属间化合物层的厚度也增大。

爆炸复合法因其工艺简单,易复合性质(熔点、强度、热膨胀系数等)相差较大的钛和钢,是制备钛/钢复合板最常用的方法之一。但是,爆炸复合法因环境污染和无法连续化制备钛/钢复合板等问题,正在逐渐被轧制复合等其他方法所取代。

2、爆炸‒轧制复合法

爆炸‒轧制复合法是将待复合金属板材通过爆炸复合后,再通过冷轧或热轧获得金属复合板的一种制备方法. 爆炸‒轧制复合法的一般工艺流程是:金属板材准备→表面处理→爆炸复合→爆后热处理→热轧→冷轧→校平. 由于爆炸复合钛/钢复合板的界面加工硬化会影响后续轧制效果,需要通过爆后热处理消除界面的加工硬化;热处理时需要控制温度低于 850 ℃,避免界面生成Fe2Ti和 FeTi。钛/钢复合板的界面结合强度随着轧制压下率增大而增大, 这是因为随着轧制压下率的增大,爆炸形成钛/钢复合板的波形界面逐渐变得平直,界面金属间化合物破碎成不连续分布的状态,有利于界面结合强度的提高。王敬忠等先用爆炸复合法把钛板和 DT4 纯铁过渡层复合,再用热轧复合法将 Ti/DT4 与 Q235 钢板复合,制备了 Ti/DT4/Q235 复合板;研究了制备工艺对界面结合强度的影响,发现热轧温度在 830~880 ℃、退火温度在 550~650 ℃ 时界面金属间化合物最少,界面结合强度可达250MPa。

钛复合板

爆炸‒轧制复合法不仅克服了爆炸复合法无法制备厚度小和表面质量要求高的钛/钢复合板的缺点,还解决了轧制复合法制备的钛/钢复合板存在的原材料及其尺寸受轧机能力限制等问题,极大地增加了制备的灵活性。但是,爆炸‒轧制复合法依然存在环境污染和无法连续化制备钛/钢复合板等问题。

3、扩散复合法

扩散复合法是把表面清洁的金属板材叠放在一起,然后加热到一定温度,同时加压,通过原子间互扩散使界面结合在一起的金属复合板制备方法。采用扩散复合法制备钛/钢复合板时,通过加热和加压促进界面原子互扩散的同时,也会促使界面生成 FeTi 等金属间化合物,损害界面结合强度,为避免 FeTi 等的生成,扩散复合时可通过在钛层和钢层中间添加铜 、镍  、铝 和铌 等过渡层金属,以此来显著提高钛/钢复合板的界面结合强度. Kundu 等采用扩散复合法在4MPa 压力和 900 ℃ 温度下制备了钛/不锈钢复合板,研究了保温时间和镍过渡层对界面结合强度的影响,发现钛/钢复合板的界面结合强度随着保温时间延长先增大后减小. 随着保温时间的延长,钛/钢复合板的界面原子扩散越充分,冶金结合点越多,但界面金属间化合物也逐渐增多,损害界面结合质量;当保温时间为 2.7 ks 时,界面结合强度最高达到 405 MPa. 增加镍过渡层可避免界面生成 FeTi 等金属间化合物,钛/钢复合板的界面结合强度最高可达479MPa。

扩散复合法无污染,而且制备的钛钢复合板的界面残余应力小,不需要后续热处理;但是制备效率低,可制备的钛/钢复合板尺寸受限,难以工业化推广。

4、热轧复合法

热轧复合法是在轧机的强大压力下,伴以热作用,使组元金属层的待复合表面破碎,并在整个金属截面内产生塑性变形,在破碎后露出的新鲜金属表面形成组元金属层间的机械嵌合和原子键合的一种高效金属复合板制备方法. 因为钛和钢的塑性变形能力相差较大,变形不协调,为防止钛/钢复合板发生翘曲,提高成材率,一般采用对称轧制,对称轧制的组坯方法有 2 种,一种是按照钢板→钛板→隔离剂→钢板的顺序组坯,另一种是按照钢板→钛板→隔离剂→钛板→钢板的顺序组坯。

小孔抽真空组坯示意图

为避免高温下钛/钢界面发生氧化,钛/钢组合坯料的待复合界面处需要保证真空,通常是在组坯时使界面实现真空然后再热轧,常用的方法包括小孔抽真空法和真空电子束焊接法 。小孔抽真空法是先通过焊管向钛/钢组合坯料的待复合界面通入氩气作为保护气体,以防止焊接时坯料内部因高温发生氧化,然后用二氧化碳保护焊将组合坯料四周以及焊管与组合坯料连接处封严,随后用真空泵通过焊管将组合坯料内部抽至真空后将焊管端部焊封,如图 2 所示. 真空电子束焊接法是在高真空条件下对钛/钢组合坯料的待复合界面四周进行电子束焊接封装,以保证焊接、加热及轧制过程中待复合界面的高真空。真空电子束焊接组坯热轧复合过程如图 3 所示. 小孔抽真空法的工艺简单,制备成本低廉;但焊接过程在空气环境中完成,钛/钢组合坯料的待复合界面在焊接过程中易氧化,且界面真空度不高,因此界面结合强度和成材率都较低. 真空电子束焊接法获得的钛/钢组合坯料的待复合界面真空度高,界面质量稳定且结合强度高;但焊接设备造价和焊接工序成本都较高。

真空电子束焊接组坯热轧复合过程示意图

热轧复合法的制备效率高,对环境无污染,可制备宽幅的钛/钢复合板,适合工业化应用,但待复合界面需要在真空下热轧复合,工艺较复杂,设备成本高。

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