层状Ti/Steel复合材料成形技术的应用研究

张 明，蔡俊清

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 721001）

1 层状Ti/Steel复合材料

随着机械装备越来越多地在复杂工况条件下使用，单一的原材料已无法满足装备制造业的发展。层状金属复合材料是指将两种或两种以上性能不同的金属原材料通过一定的成形技术，实现性能稳定的、尺寸连续的结合而制备出的一种新型复合材料。层状金属复合材料仍然保持了原材料各自原有的特性，但其综合性能优于原有的单一材料。

层状Ti/Steel复合材料是以钢为基层，以钛为复层的复合材料。钛及其合金由于具有密度小、比强度高以及出色的耐蚀性能等优点，被广泛用于石油化工、海洋工程和航空航天等领域中。但是，钛及其合金的使用成本相对较高，导致其不能大规模推广使用，而合金钢作为一种制备技术成熟的原材料，在使用过程中表现出了较好的经济性。层状Ti/Steel复合材料既具有钛合金比强度高、耐蚀性能好等物理、化学性能上的优点，又具有合金钢的强度高和塑性好等力学性能上的优点，因而可以满足装备制造、石油化工、海洋工程等诸多领域对原材料使用性能和使用成本的要求。因此，层状Ti/Steel复合材料在许多领域中有着广泛的应用前景。

2 层状Ti/Steel复合材料的成形方法

目前，国内外生产层状Ti/Steel复合材料的方法有四种：轧制复合，扩散复合，爆炸复合，爆炸-轧制复合。

2.1 轧制复合

轧制复合法是层状Ti/Steel复合材料成形的主要方法。使用轧制方法生产层状Ti/Steel复合材料时，钛板与钢板直接组坯，轧制难以贴合，结合强度不高。另外，在轧制过程中，Ti/Steel界面处会产生脆性的金属间化合物，如TiC、TiFe、TiFe2等。这些金属间化合物犹如杂质相，使界面的结合性能严重下降。影响层状Ti/Steel复合材料产品质量的主要因素就是界面上形成的这些金属间化合物。因而采用轧制法生产层状Ti/Steel复合材料时，要控制界面层生成TiC、TiFe、TiFe2的影响因素[1]。

控制金属间化合物生成的主要方法可以分为两种：1）抑制原材料中C元素和Fe元素的扩散，降低其在界面处的浓度；2）利用加热方法，延长共晶反应时间，生成低温的液相，通过轧制压力，将这些液相挤出材料界面，从而得到无杂质的金属界面，以实现良好的冶金结合。轧制复合法的主要优点有两点，首先，可以通过轧制得到大尺寸的层状Ti/Steel复合材料，或生产较薄的层状Ti/Steel复合材料，使高成本的钛材料可以满足人们对日常消费品的生产需求；其次，和爆炸复合法相比，轧制法符合当下绿色环保的生产理念，生成的污染物少且得到的产品尺寸精确，可以提高经济效益和社会效益。其主要缺点是工艺的各环节要求严格，操作水平要求较高[2]。

2.2 扩散复合

层状Ti/Steel复合材料的扩散复合（diffusion welding，DW）是在加热、加压条件下使Ti与Steel的表面相互接触挤压，Ti/Steel界面上产生的微量液相在保温过程中逐渐扩大，然后Ti、Steel原材料中的元素在液相中经较长时间的相互扩散来实现充分融合，最终冷却下来，使Ti与Steel这两种性能不同的材料实现紧密结合。工程领域采用扩散复合法成形层状Ti/Steel复合材料的案例并不多见。

扩散复合法的优点是：工艺参数的控制容易，工艺精度较高；成形过程中的变形小，尺寸精度高，产品质量稳定；材料的使用率高，有利于节约贵重金属；对环境污染也较少。缺点是：成形时间长，生产效率低；产品的尺寸受设备大小的限制；对原材料表面的光洁程度要求高；一般需专用设备，一次性投资大。

2.3 爆炸复合

爆炸复合(explosive welding，XW)，是以TNT爆炸波作为动力，利用爆炸时产生的冲击使两层不同的原材料在高速倾斜碰撞下结合在一起的成形方法。爆炸复合是前苏联科学家L.R.Carl首先提出来的，他利用TNT的爆炸波使两种不同的材料在相互碰撞下实现永久结合，于是提出了利用爆炸技术把不同的金属复合在一起的方法。随后，美国的学者Philip chuk把爆炸复合技术应用到实际的产品加工过程中，实现了铝-钢复合板的爆炸复合。之后，关于爆炸复合的理论、技术研究以及工程应用便在英国、德国、捷克、日本等国家迅速展开。

中国早在20世纪60年代就开始进行爆炸复合成形技术的研究，1968年，我国大连造船厂成功地试制了国内第一块爆炸态复合板。自20世纪80年代以来，随着国内对极端工况下服役装备的需求增加，亟需一种能够便捷高效地生产层状复合材料的技术，这导致了我国爆炸复合技术的理论研究和试验技术飞速发展，也推动了爆炸复合法在层状Ti/Steel复合材料成形中的应用。爆炸复合法在层状Ti/Steel复合材料成形过程具有得天独厚的优势，它的生产成本低，对成形环境和场地的要求不高，可以方便高效地进行生产，在层状Ti/Steel复合材料的成形方法中，具有成本、产量、规模上的巨大优势。当然，爆炸复合法成形的层状Ti/Steel复合材料质量不易控制，良品率不高，对原材料的浪费较大，这些都是爆炸复合技术研发人员需要攻克的难题。

2.4 爆炸-轧制复合

爆炸-轧制复合法结合了爆炸复合法与轧制复合法的优点。首先利用爆炸复合法生产层状Ti/Steel复合材料的坯料，这种坯料的品质不高，再利用辊轧机，对层状Ti/Steel复合材料的坯料进行热轧，从而得到一定尺寸规格的Ti/Steel复合材料。这种方法避免了爆炸复合的缺点，充分发挥了轧制复合法的优点，能够成形大尺寸的层状Ti/Steel复合材料。

3 层状Ti/Steel复合材料的界面

界面（结合面）是层状Ti/Steel复合材料极其重要的组成部分，如图1所示。金属复合材料的性能与界面性质密切相关，能否形成结合效果优异的Ti/Steel界面，是决定层状Ti/Steel复合材料使用性能的关键点。

图1 层状Ti/Steel复合材料界面

因此，只有深入研究层状Ti/Steel复合材料界面的微观形状、尺寸、化学缺陷与结构缺陷等因素，才能在更深的层次上理解Ti/Steel界面与层状Ti/Steel复合材料性能之间的关系，进一步通过提升Ti/Steel界面的结合效果来生产更高性能的Ti/Steel复合材料，解决层状Ti/Steel复合材料成形过程中的难点。

首先，从化合物的角度来看，随着界面处来自于不同原材料的元素在较高温度下长时间的扩散，界面处将发生恶劣的化学反应，产生一定的Ti-Fe、Ti-C、Fe-C等类型的化合物，从而对层状Ti/Steel复合材料的性能与结合寿命等性质产生重大影响。用热力学原理进行解读，可以认为，界面中生成哪些化合物取决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，从断裂力学的角度来看，Ti/Steel界面的开裂主要是裂纹扩展造成的，界面处裂纹的扩展本质上主要是不同原材料的热膨胀系数(CTE)、弹性应变以及塑性应变的不一致造成的。层状Ti/Steel复合材料对裂纹扩展的抵抗能力受到3个因素的影响，即Ti/Steel弹性残余应变的差异、Ti/Steel界面结合能的大小、Ti/Steel弹性模量的差异。当Ti/Steel弹性残余应变的差异大时，有利于界面处裂纹的扩展；当Ti/Steel界面的结合能大时，裂纹不容易扩展，难于穿透界面；当Ti/Steel模量差异大时，裂纹扩展到达界面时，会受到阻碍。工程中可以使用“界面断裂能”或“界面结合能”来表征裂纹沿界面扩展的难易程度，即将单位面积的结合界面剥离时所需做的功，“界面断裂能”或“界面结合能”越大，则裂纹扩展难度越大，界面结合效果越好。

4 层状Ti/Steel复合材料的应用

4.1 复合板

Ti/Steel复合板具有优良的耐蚀性能与力学性能，因此，自20世纪五六十年代起，日、美、德、英等国家都很重视复合钢板的开发及使用，从生产工艺、使用性能、检验方法等方面进行了大量的研究，从而使Ti/Steel复合板产品在能源、造船、化工、石油和机械等领域得到了广泛的应用[4]。

1950年，美国最早开始了Ti/Steel复合板的研究，工程化生产始于20世纪60年代。20世纪60—70年代，英国伯明翰大学等单位对固相复合进行了较为系统的研究，为Ti/Steel复合板的研究提供了充足的理论依据，在此取得了很大成就。20世纪80年代，俄罗斯也对TA1、TA2等钛金属与不锈钢的复合材料进行了初步研究，所采用的工艺主要有轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊接法等。

日本在Ti/Steel复合材料方面的研究虽较晚，但进步迅速，近年来，成为从事金属复合材料研究最多的国家之一。作为目前Ti/Steel复合板的主要生产国，日本的Ti/Steel复合板主要生产工艺是爆炸法与爆炸-轧制法，年产量在20万吨以上。

目前，世界上在有色金属/钢复合板的研究和应用领域取得显著成果的国家有美、日、俄、英、德等。其主要材料品种除Ti/Steel复合板外，还有含有铜、铝、钛、镍、锆等金属组分的层状复合板、复合棒等。

4.2 复合管

国外双金属复合管的工业应用较为广泛，德国BUTTING公司生产的机械复合管已有上千公里应用于欧洲、北美以及亚洲等国的海底和陆上油气管道；英国Proclad公司生产的冶金复合管也在全球许多国家得到应用。BUTTING公司自20世纪80年代中期以来就开始生产冶金复合管，从挪威和美洲一直到澳大利亚和马来西亚，都有该公司用各种复合材料做成的外双金属复合管。自1987年以来，BUTTING公司已向50多个项目提供了优质的复合材料管。Ti/Steel复合管道自1991年投入使用以来，经过30余年的发展，在石油产品输送、炼化行业获得了广泛认可，美国石油协会(API)也已经制定了双金属复合管道钢规范(API 5LD)。

我国对此类金属复合管的研究始于20世纪60年代，目前基础研究水平和小规模化产品接近国外先进水平，但在生产技术的成熟性、产品的种类、大规模的生产及生产装备等方面与国外相比存在较大差距。这导致长期以来，薄复层、大幅面金属复合管生产技术被欧美等少数发达国家所掌握。我国的薄复层、大幅面金属复合管材必须依赖进口，且金属复合管年产量较低，产品价格偏高。因此，我国还需要进一步地加大研发投入，以求研制出高品质的金属复合管，投入大规模使用。

5 结论

层状Ti/Steel复合材料是以钢为基层、以钛为复层的复合材料，它既保持了钛优异的耐蚀性、密度小的优点，又具有合金钢的高强度和较好塑性，其综合性能优异，产品的使用成本低，有着广泛的应用前景。生产层状Ti/Steel复合材料主要的方法包括轧制复合、扩散复合、爆炸复合和爆炸-轧制复合4种工艺。层状Ti/Steel复合材料的界面性能是影响其品质的关键因素，其界面性能受界面处生成的化合物影响，工程实践中，用裂纹扩展的难易程度来表征界面的性能，在层状Ti/Steel复合材料成形过程中应避免界面化合物的生成和裂纹扩展[5]。层状Ti/Steel复合材料的主要应用包括复合板和复合管两种产品。