钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势

白于良，刘雪峰，王文静，杨耀华

1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学现代交通金属材料与加工技术北京实验室，北京 100083 3) 北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京 100083

钛/钢复合板是由钛板与钢板以层状方式组合而成的一类先进金属层状复合材料，兼具钛的优良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，在石化电力、盐化工、交通运输、海水淡化、海洋工程和日常生活等领域应用广泛[1−5].随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺寸规格、界面结合质量和力学性能等都提出了新的要求.虽然爆炸复合法、爆炸‒轧制复合法、扩散复合法和轧制复合法（包括热轧复合法或冷轧复合法）都可以制备钛/钢复合板，但是这些方法普遍存在着污染环境、制备成本高、难以连续化制备、复合板尺寸规格受限以及质量和性能仍然偏低等问题，越来越无法满足市场不断提出的更高需求.

界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能指标始终是受关注的重点，表面处理方法、热轧温度、过渡层金属和热处理工艺等影响界面结合质量的因素也一直是该领域的研究热点.因为钛/钢界面生成的TiC、FeTi或Fe2Ti等脆性相会损害钛/钢复合板的界面结合质量，而加入过渡层金属可以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人们对钛/钢界面过渡层金属的选择和过渡层对界面结合质量的影响进行了大量研究，但过渡层金属的添加会增加原料和制备的成本，限制了工业化推广应用[6−11].

国外对钛/钢复合板的研究较早，特别是日本、美国已经在化工、核电和海洋工程等领域大规模使用.国内对钛/钢复合板的研究起步较晚，宽幅钛/钢复合板的制备技术仍不成熟，尺寸规格以及复合率、板形等产品质量与国外相比仍有较大差距.本文从制备方法、界面特征、应用现状和发展趋势等多个角度对钛/钢复合板的研究开发现状进行了综述，以期为钛/钢复合板的深入理论研究提供参考，推动钛/钢复合板制备技术的进步，拓宽钛/钢复合板的应用领域.

1 钛/钢复合板的研究现状

原材料情况决定了钛/钢复合板的制备方法和应用领域，而复合板尺寸、界面特征和力学性能则是影响钛/钢复合板实际应用的主要指标和关键因素.所以，原材料情况以及复合板尺寸、界面特征和力学性能一直都是钛/钢复合板研究开发所关注的热点和重点内容.

1.1 原材料情况

钛的原子序数22、原子质量47.87，在低于882 ℃ 为密排六方结构的 α-Ti，当温度超过 882 ℃后，钛会转变为体心立方结构的β-Ti.钛金属具有银灰色光泽，屈服强度比钢高，但重量几乎只有同体积的钢的一半，在有氧、潮气、氧化剂以及铜、铁、金、铂等金属离子或OH−存在的环境中，表面会钝化形成一层牢固的、致密的、破损时还能自动愈合的氧化物薄膜，特别是在海水等自然环境中，钛的耐腐蚀性能优于不锈钢，所以钛又被称为海洋金属[12−13].

中国拥有丰富的钛矿资源，储量约占世界总量的20%，仅四川攀西地区已探明的钒钛铁矿就达 9.6×109t[14].但是，钛与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下都会发生反应，导致钛的提取工艺非常复杂和困难，市场上海绵钛的价格高达每吨8.0万元.高昂的制备成本严重制约了钛的推广应用，相比之下，市场上钢的价格却很低（如碳钢的价格仅每吨0.4万元），将钛与钢复合制成钛/钢复合板，不仅具有钛的优良耐腐蚀性和钢的高强度，还可以大幅度地降低成本.

钛/钢复合板的钛覆层材料一般为TA1、TA2等工业纯钛或 Ti‒6Al‒4V（TC4）等钛合金，钢基层材料一般为Q235、Q345、Q390、X65等低碳钢或304、316 等不锈钢[7,15−18].钛和钢（主要考虑铁元素）的物理性能如表1所示.由于钛和钢的热膨胀系数、热导率和力学性能等的差异，钛和钢在热轧复合时界面会产生相对滑动.界面搓动一方面会促使原材料板材待复合表面的氧化层破裂露出新鲜表面，有利于界面复合，另一方面也会导致界面产生残余应力[2, 19].

1.2 复合板尺寸

爆炸复合法和扩散复合法制备的钛/钢复合板的尺寸存在局限性，爆炸复合法难以制备覆层厚度<2 mm的钛/钢复合板[20]；扩散复合法制备的钛/钢复合板的尺寸较小，一般用于实验室研究.为了扩大钛/钢复合板的尺寸，一般采用爆炸‒轧制复合法和热轧复合法.近年来，随着国内轧制复合技术的发展，在大面积、薄覆层钛/钢复合板的制备技术方面取得了较好的成果，如宝钛集团采用爆炸‒轧制复合制备出钛覆层厚度1.2～1.6 mm、钢基层厚度 12～18 mm 和单张面积 35 m2的钛/钢复合板[20]；东北大学与国内钢厂合作采用真空制坯热轧复合法制备的钛/钢复合板的板幅宽度达到3.5 m[21].随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，未来市场对超薄或超厚的宽板幅钛/钢层状复合板的需求将会越来越旺盛.

表1 钛和钢的物理性能[2]Table 1 Physical properties of titanium and steel[2]

1.3 界面特征

钛/钢复合板的界面结合质量一直是关注的重点.钛/钢复合板复合界面处的空隙和脆性相都会损害界面结合质量.采用低速高形变轧制技术有利于界面空隙的消除[22]；而界面脆性相对界面的影响则较为复杂，脆性相的种类、形貌和分布对界面结合质量的影响也不相同.

钛/钢界面在高温下会生成 β-Ti、TiC、FeTi或Fe2Ti等相，各相的晶体学信息见表2所示.这些相中TiC、FeTi和Fe2Ti表现为本征脆性，脆性由大到小依次为TiC>FeTi>Fe2Ti.其中，TiC断裂韧性只有 5.7 MPa·m−1/2，对界面结合质量的损害最大；而当TiC、FeTi和Fe2Ti共存于界面时，对界面的损害比三者单独存在时更严重[2, 23−24].在相同温度下，TiC、Fe2Ti和 FeTi 3 种反应产物标准生成吉布斯自由能大小顺序为TiC

表2 钛/钢界面各相的晶体学信息Table 2 Crystallographic information of phases in titanium/steel interface

1.4 力学性能

GB/T 8547—2019 钛‒钢复合板和 GB/T 8546—2017钛‒不锈钢复合板中规定了钛/钢复合板的抗拉强度、断后伸长率和剪切强度的要求，其中抗拉强度的下限值Rmj按式（1）计算：

式中：t1为钢基层材料的厚度，mm；t2为钛覆层材料的厚度，mm；Rm1为钢基层材料的抗拉强度标准下限值，MPa；Rm2为钛覆层材料的抗拉强度标准下限值，MPa.

钛/钢复合板的断后伸长率A要求不小于钢基层材料或钛覆层材料标准中规定的较低断后伸长率.0类钛/钢复合板的界面剪切强度要求≥196 MPa，1类和2类钛/钢复合板的界面剪切强度要求≥140 MPa.

目前未添加过渡层金属的钛/钢复合板的界面剪切强度有的能达到200～250 MPa，其中钛合金覆层的界面剪切强度明显高于纯钛覆层的[17, 31−35]；通过添加过渡层金属，严格控制工艺参数制备的钛/钢复合板的界面剪切强度可以高达500 MPa[15, 36].爆炸复合和轧制复合的钛/钢复合板界面残余应力较大，需要在550～650 ℃下进行退火处理，退火温度超过 650 ℃ 会显著降低界面剪切强度[26, 37−38].Ti/439不锈钢复合板的最小延伸激活能与碳在铁中扩散的活化能相近，说明钢的塑性损失是由动态应变时效引起的，当界面结合强度较高时，钛层在250～550 ℃拉伸试验时会发生多次缩颈形成波纹表面，但钛的失稳不会影响钛/钢复合板整体的稳定性和成形性[39].

2 钛/钢复合板制备方法的研究现状

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.

2.1 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，其装配情况如图1所示[40].

图1 爆炸复合法装配示意图[40]Fig.1 Assembly diagram of explosive composite method[40]

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Fe2Ti、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[32, 41−42].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[32, 43- 44].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[45]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[46].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[37].

2.2 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[26, 47−48].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[49].王敬忠等[38]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250 MPa.

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[39].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.

2.3 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[50].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[51−52]，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[53−54]、镍[16, 55]、铝[56]和铌[57]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[58]采用扩散复合法在4 MPa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479 MPa.

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.

2.4 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.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[59]和真空电子束焊接法[21].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.

图2 小孔抽真空组坯示意图[59]Fig.2 Schematic of small hole vacuum assembling[59]

图3 真空电子束焊接组坯热轧复合过程示意图[21]Fig.3 Schematic of vacuum electron beam welding and hot rolling bonding process[21]

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.

3 钛/钢复合板制备工艺对界面结合质量的影响

界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能指标始终是受关注的重点，表面处理方法、热轧温度、过渡层金属和热处理工艺作为影响界面结合质量的关键工艺因素也一直是该领域的研究热点.

3.1 表面处理方法

表面处理方法直接影响钛/钢复合板的界面结合强度甚至决定界面能否成功实现复合.表面处理方法主要有丙酮清洗、酸洗、钢丝刷打磨和砂纸打磨等，可清除原材料钛板材和钢板材表面的油污、灰尘和氧化物等.表面处理会使金属板材表面加工硬化形成硬化层，轧制复合时硬化层破碎开裂促使新鲜金属在开裂处发生结合；但硬化层碎块周围易形成裂纹，有可能导致界面结合质量降低[60−61].表面处理还会使金属板材表面形成凹凸不平的粗糙表面，增大表面粗糙度可提高轧制复合时钛/钢界面剪切力，促使钛/钢协同变形，有利于钛/钢界面复合；但也有研究表明，粗糙表面易在界面残留不结合点，影响界面质量[37, 62].杨德翰等[27]研究了钢丝刷打磨、酸洗和带水砂纸打磨3种表面处理方法对热轧复合法制备钛/钢复合板的界面结合性能的影响，发现表面处理方法会影响界面TiC的形态和分布进而影响界面结合强度；带水砂纸打磨的钛/钢复合板界面的TiC层连续且厚度均匀，界面结合强度达到242 MPa；而酸洗和钢丝刷打磨的钛/钢复合板界面的TiC层断续不均匀，界面结合强度未达到国家标准.

3.2 热轧温度

热轧温度低于700 ℃时，钛/钢复合板的变形抗力较大，加工硬化严重，无法通过增大压下率来提高界面结合强度，当热轧温度过高时，界面会生成TiC、FeTi和Fe2Ti等脆性相，会降低界面结合强度[63−64].在低于 850 ℃ 热轧时，钛/钢复合板的界面只有TiC生成，界面结合强度随着温度升高而增大；850 ℃热轧界面结合强度最高；当热轧温度超过900 ℃时，界面由于大量脆性相的生成，界面结合强度降低[31].柴希阳等[25]研究表明，热轧温度影响着钛/钢复合板界面反应相的种类，在低于900 ℃条件下，热轧后冷却扩散过程中，C在结合界面富集能力强，Fe在Ti中反应扩散弱，结合界面形成β-Ti和TiC；在950 ℃条件下，C在结合界面富集能力弱，Fe在Ti中反应扩散强，结合界面形成 α-βTi、β-Ti、TiC 和 Fe2Ti；在 1000 ℃ 条件下，Fe在Ti中的反应扩散进一步增强，结合界面形成α-βTi、β-Ti、TiC、FeTi和 Fe2Ti，如图4 所示.

图4 不同热轧复合制备的钛/钢复合板的界面形貌及高倍形貌[25].（a,e）850 ℃；（b,f）900 ℃；（c,g）950 ℃；（d,h）1000 ℃Fig.4 Interface morphology of titanium/steel composite plate prepared at different hot rolling temperatures[25]: (a,e) 850 ℃; (b,f) 900 ℃; (c,g) 950 ℃;(d,h) 1000 ℃

3.3 过渡层金属

为了避免界面处生成TiC、FeTi或Fe2Ti脆性相，一般采用增加过渡层金属的方法阻止钛和钢的原子扩散.过渡层金属的选择需要考虑多方面因素.一方面，过渡层金属能有效隔断Ti、Fe和C原子扩散；另一方面，过渡层金属不与钛、钢生成脆性相，或者生成的脆性相对界面损害较小.目前，过渡层金属主要有 DT4 纯铁[31]、IF 钢[65]、铌[66−67]、钼[7]、镍[58, 68]、银[10−11,69]、铜[8,69]、钒[70]和铝[56]等.其中，铌、钼和钒等可以与钛完全互溶不生成金属间化合物，而铜、镍和银均不与钢生成金属间化合物，DT4纯铁和IF钢不仅成本低廉而且可以有效阻隔C原子的扩散.过渡层金属的加入虽然会阻碍钛/钢界面TiC、FeTi或Fe2Ti的生成，但也会引入新相或孔洞，有时对界面结合强度的提升也并不明显.DT4纯铁过渡层可以使界面结合强度提高约40 MPa，铌过渡层可以使界面结合强度提高约65 MPa，而钼过渡层的加入则使界面产生大量孔洞导致界面结合强度降低 20 MPa[7,31,71].

单层过渡层金属通常难以同时与钛和钢实现良好的结合，为了获得良好的界面结合质量，多层过渡层金属被引入到了钛/钢界面.Song等[15]在钛/钢界面添加Nb/Cu两层过渡层金属，扩散复合制备了Ti/Nb/Cu/SS复合板，由于Ti与Nb完全互溶，Nb与Cu以及Cu与Fe的互溶度均较低且不生成金属间化合物，获得的钛/钢复合板的界面结合强度达到 489 MPa.Lee 等[6]在钛/钢界面添加了 Ni/Cr/V三层过渡层金属，制备的钛/钢复合板界面没有金属间化合物，界面结合强度超过480 MPa.

过渡层金属不仅会影响钛/钢界面的金属间化合物的生成，而且会影响钛/钢轧制复合时界面的相对滑动.Zhao等[19]研究了铜过渡层对真空热轧钛/不锈钢界面相对滑动的影响，发现无过渡层金属的钛/不锈钢热轧时界面相对滑动远小于添加铜过渡层的钛/铜/不锈钢界面，界面滑动可促使界面氧化膜破裂露出新鲜金属，有利于界面结合强度的提高.

3.4 热处理工艺

通过爆炸复合或轧制复合成形的钛/钢复合板界面会发生不同程度的硬化，需要热处理去除界面残余应力，提高复合板的加工性能.当退火温度小于850 ℃时，界面处会生成TiC，对界面结合强度的损害较小；当退火温度超过850 ℃时，界面处会形成Fe2Ti和FeTi，导致界面结合强度明显降低[26, 47].爆炸复合钛/钢复合板的界面钛、铁扩散层厚度D和界面结合强度S取决于退火温度T和保温时间t，其函数关系式[46]分别为：

为避免热处理时钛/钢复合板界面生成TiC影响界面结合强度，要求热处理温度不超过650 ℃.一般在500～550 ℃温度范围对钛/钢复合板进行热处理[41].由于TiC在超过β-Ti的相变点温度进行热处理时会分解，所以也可以通过900～950 ℃热处理来减小TiC层厚度，但要防止界面FeTi等相的生成，所以需要严格控制保温时间[2, 37].

4 钛/钢复合板的应用现状

钛/钢复合板的传统应用领域主要有石油化工设备、发电设备和制盐设备.近年来，随着人们对海洋认识的加深，钛/钢复合板在海洋工程领域的应用也得到了快速发展.

4.1 石油化工设备

在石油化工领域，钛是优良的耐腐蚀材料，在酸、碱、盐介质中具有良好的稳定性，因此钛/钢复合板广泛用于浓缩塔、反应釜、换热器、稳压罐和氧化反应冷凝器等设备[72].

中石化乙二醇装置使用了大型钛/钢复合板塔器，直径 3.2 m，总高度 51 m，主体材料为 Q345R+TA2，设备净重 89.4 t[73].钛/钢复合板卧式、立式反应釜在钴镍硫化物精矿、红土镍矿和稀贵金属渣等资源的湿法加压酸浸项目中得到了广泛应用[74].管板是管壳式换热器的核心部件之一，钛/钢复合管板在管壳式换热器中最为常见[75].钛/钢复合板在耐蚀压力容器的管板、筒体和封头上的使用率也很高，钛覆层厚度根据介质的腐蚀性决定，通常选取2～4 mm，其中3 mm是最常使用的厚度[76].

PTA装置核心设备的国产化是整个装置国产化的关键之一，PX氧化反应器、脱水塔和结晶器等大型钛/钢复合板制压力容器的国产化是其中的一项重要内容.由南京宝色股份公司承制的PTA氧化反应器，直径达 7800 mm，长度 40 m，总重 420 t，容积达到 1200 m3，容器壳体用材为 Q345R+TA1，钛覆层厚度2～3 mm，是当时全球最大的钛/钢复合承压设备[4, 77].

4.2 发电设备

我国的火力发电厂基本上都配套安装了烟气脱硫设施，燃煤机组脱硫采用石灰石湿法脱硫技术，脱硫后含有水蒸气和SO2烟气由于温度下降凝结，凝结的高腐蚀性液体附着在烟囱内壁上侵蚀烟囱.钛/钢复合板由于良好的耐腐蚀性能和较低的材料成本被设计用于烟囱内筒材料，目前国内有超过600座电厂采用钛/钢复合板作为烟囱防腐内筒[78−80].为了降低原料成本，烟囱内筒用的钛/钢复合板的钛覆层较薄，一般为1.2 mm.河北沙河电厂的烟囱内筒直径 8.5 m，高 175 m，由 87.5 层层高 2 m、周长 26.72 m 的钛/钢复合板拼装成圆筒形，逐层焊接垂直顶升形成，所用钛/钢复合板基层碳钢（Q235B）厚度 12～16 mm、覆层钛（TA2）厚度1.2 mm[81].

瑞典最早在20世纪80年代将钛/钢复合管板用于核电冷凝器设备，随后德国、法国、美国和科威特等在大型火电站及核电站中也开始使用钛/钢复合板，日本在滨海电站及海水淡化装置中的凝汽器和换热器上同样使用了钛/钢复合管板.国内凝汽器大幅面钛/钢复合管板的应用始于20世纪90年代初，但由于当时国内大幅面钛/钢复合板制备技术尚不成熟，尤其在结合率、不平度等指标和可承受持续加工特性方面达不到该领域的特殊要求，所以日本旭化成公司和美国DMC公司很长一段时间以来一直垄断着该领域的中国市场[3].

4.3 制盐设备

钛具有优异的抗海水及耐氯化物溶液腐蚀及流体冲刷的性能，特别适合作为制盐设备中蒸发罐的壳体材料，对于防止蒸发罐壁结盐垢，延长洗罐周期有良好效果.1985年，内蒙古吉兰泰盐场率先将钛/钢复合板用于真空制盐蒸发室的Ⅱ-Ⅳ效蒸发室主体材料，实践证明钛/钢复合板制造的蒸发室可减缓腐蚀和结盐垢，延长生产周期，提高盐质白度和均匀性[1].2007年，宝钛集团复合板公司向四川久大制盐有限责任公司提供了600多吨TA2/TA10钛/钢复合板，用于60万吨真空制盐项目的设备制造[4].

4.4 海洋工程

在海洋工程中，钛/钢复合板不仅能满足海洋环境下的耐蚀要求，而且是环境友好型材料，在海水中无毒害，对海洋生态环境没有不良影响，特别适合用作海洋土木领域的防蚀材料[82].日本因其四面临海的特殊地理位置，开展了钛/钢复合板在浮式海洋构筑物的适用性研究，已实用或计划中的大型浮式海洋构筑物有机场、港湾物流基地、发电厂、原油和天然气体贮存基地、桥梁、废弃物和污水处理场等[83].日本在横须贺建造了一个超大型浮式海洋构筑物，在海水飞沫冲刷处使用了钛/钢复合板；日本跨海大桥也将钛/钢复合板应用到桥柱飞溅区[21].随着人们对海洋的开发力度不断加大，钛/钢复合板在海洋油气开发、海港建筑、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域的应用将越来越广泛.

5 钛/钢复合板的发展趋势

随着人们对钛的认识逐渐加深，钛/钢复合板的应用领域也从传统的石油化工、航空航天向土木建筑和海洋工程等领域拓展.市场对超薄、超厚、高强高耐蚀和界面强冶金结合的钛/钢复合板的需求逐渐增大.在保证耐腐蚀性能的前提下减小钛覆层厚度，可减少钛的使用，降低成本.由于钛和钢的热物理性能差异较大，钛/钢复合板的焊接加工非常困难，而宽板幅钛/钢复合板可以减少焊缝数量，降低加工成本，提高生产效率.基于以上原因，钛/钢复合板的发展趋势是薄覆层、厚度薄、宽板幅、高性能和低成本.

钛/钢复合板的制备方法和工艺直接决定了其尺寸规格和性能，所以制备方法和工艺成为了该领域近年的研究热点.激光工程化净成形技术[84]、放电等离子烧结技术[85]、喷射沉积法[86]和钎焊复合法[87−88]也被用于制备钛/钢复合板，但这些方法目前都仅限于实验室研究.现在国内企业制备钛/钢复合板最常用的方法是爆炸复合法，而在日本热轧复合法已经成为制备钛/钢复合板的主流方法，随着国内轧机能力的提升，热轧复合法也正在逐渐替代爆炸复合法成为该领域的发展主流，鞍钢、南钢和济钢等大型国有企业都开始采用真空制坯热轧复合法生产钛/钢复合板[21, 89−90].然而，真空制坯热轧复合法对设备要求较高，工艺繁琐，界面焊接质量要求严格，限制了该技术的大规模推广应用.因此，钛/钢复合板低成本、高效率和短流程制备技术的开发是该领域亟待解决的难题之一，也成为了该领域的当务之急和主要发展趋势.

针对上述问题，刘雪峰等[91−92]开发了钛/钢复合板两步轧制复合法（又称“冷‒热轧制复合法”），先将原材料纯钛板和Q235低碳钢板待复合表面进行打磨、清洁等处理后，无需添加任何过渡层金属，直接层叠进行预复合轧制，接着在空气氛围下加热后再进行终复合轧制.该方法利用预复合轧制工序替代了传统热轧复合法中的真空制坯工序，工艺流程短、成材率高、制备成本低，制备的钛/钢复合板的界面结合质量稳定，界面结合强度超过230 MPa，特别适合低成本制备薄覆层、厚度薄、宽幅、高性能的钛/钢复合板.

6 结语

人们对钛/钢复合板的研究已有半个世纪之久，开发了多种钛/钢复合板制备方法，推动了钛/钢复合板的开发和应用.虽然钛/钢复合板在制备、性能和应用等方面都取得了长足进展，但是仍然存在以下问题：

（1）尺寸规格受限.随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺寸规格提出了新的要求，然而因为设备和技术等原因，目前制备的钛/钢复合板仍无法满足薄覆层、超薄、超厚或宽板幅的市场需求.

（2）制备成本高.采用热轧复合法制备钛/钢复合板已逐渐成为产业化的主要发展方向，但现在热轧复合前一般都需要真空电子束焊接组坯，设备和制备成本较高，削弱了钛/钢复合板的市场竞争力.

（3）界面结合质量不稳定.由于影响钛/钢复合板的界面结合质量的因素较多，常常容易出现同一钛/钢复合板的不同位置结合强度不同，不同批次的钛/钢复合板界面结合强度相差较大等问题.

（4）焊接、成形等后续加工难度大.钛和钢的热物理性能差异较大，钛/钢复合板焊接时界面易生成FeTi等脆性相；钛和钢塑性加工时难以协同变形，会导致钛/钢复合板后续进一步塑性成形时界面结合质量可能会下降.

有鉴于此，钛/钢复合板未来的重点研究方向包括：

（1）在钛/钢复合板制备工艺和界面结合质量方面深入研究，揭示钛/钢界面复合机理和界面脆性相的析出行为.

（2）基于界面复合理论开发新的短流程高效制备工艺，降低制备成本，拓宽钛/钢复合板的尺寸规格.

（3）基于复合界面脆性相的析出规律进行工艺优化，精确调控复合界面脆性相的生成，制备界面实现强冶金结合的、具有高界面结合强度的钛/钢复合板.