钛钢复合板的轧制复合工艺

供稿|杨哲，杨晗，李桂 / YANG Zhe, YANG Han, LI Gui

内容导读

文章介绍了TA2/Q235轧制复合法生产工艺方法。根据TA2、Q235材质的特点和复合技术要求，选取三种材料作为夹层，采取基、复、夹层材料对称组坯方式并做真空处理，对不同夹层材料、加热制度和轧制工艺进行了研究。综合分析认为以1#材料为夹层，加热温度为900℃、变形量大于80%的工艺，其贴合率、表面质量和力学性能均能满足GB/T 8547—2006的要求。该生产方法可以有效解决以往爆炸-轧制法生产方式板幅小、受外界条件制约的不足，为今后高效化生产宽幅钛钢复合板奠定了基础。

钛-钢复合板既具有钛的耐腐蚀性，又通过复合钢材提高了强度，改善了材料的综合性能，性价比高，从而扩展了钛材的适用范围，能够广泛应用于化工、电厂等的设备制造领域[1]。目前钛-钢复合板主要生产方式是爆炸法和爆炸-轧制法。其生产效率受天气等外界环境影响很大，且由于爆炸技术局限性，能生产的复合板板幅有限[2-3]。而现代大型设备制造时，为了提高设备的安全系数和降低成本，要求减少设备上的焊缝，因而对大面积钛钢复合板的需求迫切。爆炸复合法及爆炸轧制复合法无法满足这一要求，轧制复合生产工艺是有效的解决途径。这种工艺对设备、技术和人员操作技能要求很高，目前国内厂家很少采用此种工艺，只有国外一些企业技术较为成熟[4]。宝钛集团有德国进口的3.3 m热轧机的设备优势和技术优势以及多年复合板生产经验，完全可以对该产品进行开发，其对扩展公司产品结构、拓展市场空间有重要意义。

实验方法

TA2与Q235不能直接轧制复合，采用合适的材料作为夹层是有效的解决途径。通过分析基、复层材质特点和复合工艺要求，实验初步设计了几种工艺路线，制定了不同的加热温度、变形量、夹层材料来进行对比实验。工艺方案见表1。

实验以Q235为基层、TA2为复层，两者与夹层材料采取对称方式组坯，抽真空并处理。试制按照实验方案的工艺参数执行，空冷后将实验板切边、掀开后观察表面质量、贴合情况，取样分析界面金相和测试剪切强度等性能。将实验结果对照标准加以分析，确定夹层材料、加热温度和变形量，从而最终确定合理可行的工艺方案。

表1 实验方案及试样编号

实验结果与分析

由于采取对称方式组坯，轧制后需将实验板切边掀板，然后观察贴合情况和表面质量。对贴合良好的实验板取样检测，相关情况见表2。

表2 实验结果

轧制TA2/1#/Q235复合板

TA2/1#/Q235复合板组坯6块，取样测试剪切强度值，按照GB/T 8547—2006标准规定复层厚度小于1.5 mm应取拉剪试样，其中轧制法钛钢复合板剪切强度值不小于140 MPa[5]。测试结果见表3。A4的L2强度不合，A6强度值均可以满足标准要求，且整体优于A4的结果。A6温度高于A4，但是不宜继续提高加热温度，有关研究表明钛钢复合板在接近1000℃的较高加热温度时会产生大量的金属间化合物，导致其结合强度降低，甚至无法贴合[6-7]。

表3 TA2/1#/Q235轧制复合板剪切强度

TA2/1#/Q235复合板界面金相见图1，A4结合界面平滑，A6结合界面呈现波浪状，而无论是平滑界面还是波状界面均可以良好结合[8]。

图1 TA2/1#/Q235复合板界面金相图：(a) A4；(b) A6

从图1(a)中可以看出，A4的界面化合物层较厚，钛侧晶粒内部存在片层状组织，Fe-Ti层较明显，且界面处化合物层厚度不一，较厚的化合物层均出现在铁素体晶粒周围，而在含碳量高的渗碳体处则较薄，存在Ti-C化合物。直接影响钛钢复合板结合强度的主要是过渡层出现的金属间化合物Fe-Ti和Ti-C化合物层，这两种化合物越多结合强度越低[9]。从图1(b)中可以看出，A6界面化合物较少，钛钢两侧组织正常。因此，A6整体组织形貌优于A4。

轧制TA2/2#/Q235复合板

TA2/2#/Q235轧制复合板剪切强度见表4。B2强度均不能满足标准，B6强度可以满足标准要求，但是偏低。

表4 TA2/2#/Q235轧制复合板剪切强度

TA2/2#/Q235复合板界的界面组织金相图见图2，B2夹层及界面化合物较多，B6结合处化合物层很薄，组织无明显异常，但是整体强度较低，且2#材质成本较高。多方面考虑不建议以2#材质作为夹层。

图2 TA2/2#/Q235复合板界面金相：(a) B2；(b) B6

轧制TA2/3#/Q235复合板

TA2/3#/Q235轧制复合板剪切强度值见表5，C2不能满足标准要求。C4的L1不合，不能完全满足标准要求。

表5 TA2/3#/Q235轧制复合板剪切强度

TA2/3#/Q235复合板界面金相组织见图3，从图3(a)可以看出，C2化合物层厚，且界面存在明显夹杂物，其夹层内部缺陷也偏多。将C2放大200倍，见图3(b)，夹层完成再结晶，且有孪晶存在。普钢侧组织无异常，为正常亚共析组织，但是纯钛侧组织发生明显变化，除去正常再结晶产生的等轴晶粒外，沿晶界生长出片层状、粗大针状组织，而且沿界面出现大尺寸晶粒，见图3(b)箭头处，认为是3#与钛在798℃共析转变，该组织是共析转变产物。C4结合界面也存在较多化合物，见图3(c)。综合考虑认为不应以3#作为夹层材料。

结束语

结合实验结果认为：变形量是影响贴合的重要因素，本次实验变形量为50%的复合板均未贴合，经过计算实验板实际变形量，结合实验结果和相关资料，为实现良好贴合，变形量应不低于80%；轧制TA2/Q235复合板可以以1#材料为夹层，对称组坯并真空处理后，采取加热温度900℃、变形量大于80%的工艺，其各项性能可以满足GB/T 8547—2006标准的要求，且贴合情况和表面质量较好。

图3 TA2/3#/Q235复合板界面金相图：(a) C2；(b) C2；(c) C4