工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 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 Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate BAI Yu-liang.LIU Xue-feng,WANG Wen-jing.YANG Yao-hua 引用本文： 白于良，刘雪峰，王文静，杨耀华.钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势).工程科学学报，2021,43(1)：85-96.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.08.31.007 BAI Yu-liang,LIU Xue-feng,WANG Wen-jing.YANG Yao-hua.Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(1):85-96.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.31.007 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.08.31.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 感应加热温度对冷热轧制成形钛/钢复合板界面的影响 Effect of induction heating temperature on the interface of coldhot-rolled titanium/steel composite plates 工程科学学报.2020,42(12：1639 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.11.001 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报.2017,397)：1070 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.013 毛细铜/钛复合管材的游动芯头拉拔制备及组织性能 Preparation of the capillary copper/titanium composite pipe by floating-plug drawing processing and its microstructure and properties 工程科学学报.2017,393：417htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2017.03.014 热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets 工程科学学报.2020,42(5：620htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.05.25.002 电化学方法在不锈钢腐蚀研究中的应用现状及发展趋势 Current application and development trend in electrochemical measurement methods for the corrosion study of stainless steels 工程科学学报.2020,42(5)：549htps:/oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.05.15.002 热压316L/Q345R复合板的结合性能 Factors influencing the combined performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via hot compression 工程科学学报.2018,40(4：469 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.010
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 Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate BAI Yu-liang, LIU Xue-feng, WANG Wen-jing, YANG Yao-hua 引用本文: 白于良, 刘雪峰, 王文静, 杨耀华. 钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势[J]. 工程科学学报, 2021, 43(1): 85-96. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.31.007 BAI Yu-liang, LIU Xue-feng, WANG Wen-jing, YANG Yao-hua. Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 85-96. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.08.31.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.31.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 感应加热温度对冷热轧制成形钛/钢复合板界面的影响 Effect of induction heating temperature on the interface of coldhot-rolled titanium/steel composite plates 工程科学学报. 2020, 42(12): 1639 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.11.001 高应变速率下钛-钢复合板界面组织特征及变形机制 Interfacial microstructure and deformation mechanism of Ti-steel clad plate under high strain rate 工程科学学报. 2017, 39(7): 1070 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.013 毛细铜/钛复合管材的游动芯头拉拔制备及组织性能 Preparation of the capillary copper/titanium composite pipe by floating-plug drawing processing and its microstructure and properties 工程科学学报. 2017, 39(3): 417 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.014 热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能 Microstructure and bonding properties of hot-rolled 7075/AZ31B clad sheets 工程科学学报. 2020, 42(5): 620 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002 电化学方法在不锈钢腐蚀研究中的应用现状及发展趋势 Current application and development trend in electrochemical measurement methods for the corrosion study of stainless steels 工程科学学报. 2020, 42(5): 549 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.15.002 热压316L/Q345R复合板的结合性能 Factors influencing the combined performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via hot compression 工程科学学报. 2018, 40(4): 469 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.010
工程科学学报.第43卷，第1期：85-96.2021年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.1:85-96,January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.31.007;http://cje.ustb.edu.cn 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2，)区，王文静)，杨耀华) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学现代交通金属材料与加工技术北京实验室，北京1000833)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 ☒通信作者.E-mail:liuxuefengbj(@163.com 摘要随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺寸和性能都提出了新的要求，现有的制备方法和工 艺也面临着巨大挑战.本文从原材料情况、复合板尺寸、界面特征和力学性能等方面概述了钛钢复合板研究现状，评述了钛/ 钢复合板目前的主要制备方法及其优缺点，综述了表面处理方法、热轧温度、过渡层金属和热处理工艺对钛/钢复合板界面 结合质量的影响，阐述了钛钢复合板的应用现状，指出了钛/钢复合板面临的主要问题及未来的重点研究方向 关键词钛/钢复合板：制备方法：应用领域：过渡层：界面结合质量 分类号TG335.81 Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate BAI Yu-liang,LIU Xue-feng,WANG Wen-jing YANG Yao-hua 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 3)Key Laboratory for Advanced Materials Processing of Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liuxuefengbj@163.com ABSTRACT Titanium/steel composite plate is an advanced metal-layered composite material,which is composed of titanium or titanium alloy as the cladding material and carbon steel or stainless steel as the base material.Titanium/steel composite plate is widely used in petrochemical,electric power,salt chemical,seawater desalination,and ocean engineering since it has excellent corrosion resistance of the cladding material and the characteristics of high strength and low cost of the base material.Various methods have been adopted for manufacturing titanium/steel composite plates,including explosive bonding,explosive-rolling bonding,diffusion bonding. and hot rolling bonding.However,with the continuous expansion of the application field of titanium/steel composite plate,demands on new requirements on the material's size,interface bonding quality,and mechanical properties are difficult to meet with the existing preparation methods and processes of titanium/steel composite plate.Thus,it is necessary to study the interface recombination mechanism and interface precipitation behavior,improve the interface bonding quality,and develop novel preparation methods.In response,this paper summarized the research and development status of titanium/steel composite plates based on different aspects such as raw materials,composite plate size,interface characteristics,and mechanical properties.The main processing methods of titanium/steel composite plate were also reviewed.The influence of surface treatment method,hot rolling temperature,transition layer metal,and heat treatment process on the interface of titanium/steel composite plate was summarized,and the application status and 收稿日期：202008-31 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFA0707300)
钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 白于良1)，刘雪峰1,2,3) 苣，王文静1,3)，杨耀华1) 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 苣通信作者，E-mail：liuxuefengbj@163.com 摘 要 随着钛/钢复合板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺寸和性能都提出了新的要求，现有的制备方法和工 艺也面临着巨大挑战. 本文从原材料情况、复合板尺寸、界面特征和力学性能等方面概述了钛/钢复合板研究现状，评述了钛/ 钢复合板目前的主要制备方法及其优缺点，综述了表面处理方法、热轧温度、过渡层金属和热处理工艺对钛/钢复合板界面 结合质量的影响，阐述了钛/钢复合板的应用现状，指出了钛/钢复合板面临的主要问题及未来的重点研究方向. 关键词 钛/钢复合板；制备方法；应用领域；过渡层；界面结合质量 分类号 TG335.81 Current status and research trends in processing and application of titanium/steel composite plate BAI Yu-liang1) ，LIU Xue-feng1,2,3) 苣 ，WANG Wen-jing1,3) ，YANG Yao-hua1) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Key Laboratory for Advanced Materials Processing of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liuxuefengbj@163.com ABSTRACT Titanium/steel composite plate is an advanced metal-layered composite material, which is composed of titanium or titanium alloy as the cladding material and carbon steel or stainless steel as the base material. Titanium/steel composite plate is widely used in petrochemical, electric power, salt chemical, seawater desalination, and ocean engineering since it has excellent corrosion resistance of the cladding material and the characteristics of high strength and low cost of the base material. Various methods have been adopted for manufacturing titanium/steel composite plates, including explosive bonding, explosive-rolling bonding, diffusion bonding, and hot rolling bonding. However, with the continuous expansion of the application field of titanium/steel composite plate, demands on new requirements on the material ’s size, interface bonding quality, and mechanical properties are difficult to meet with the existing preparation methods and processes of titanium/steel composite plate. Thus, it is necessary to study the interface recombination mechanism and interface precipitation behavior, improve the interface bonding quality, and develop novel preparation methods. In response, this paper summarized the research and development status of titanium/steel composite plates based on different aspects such as raw materials, composite plate size, interface characteristics, and mechanical properties. The main processing methods of titanium/steel composite plate were also reviewed. The influence of surface treatment method, hot rolling temperature, transition layer metal, and heat treatment process on the interface of titanium/steel composite plate was summarized, and the application status and 收稿日期: 2020−08−31 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2018YFA0707300） 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期：85−96，2021 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 1: 85−96, January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.08.31.007; http://cje.ustb.edu.cn
86 工程科学学报，第43卷，第1期 development trend of titanium/steel composite plate were described.Finally,the main problems and future research direction of titanium/steel composite plate were pointed out.This study aims to provide a reference for in-depth theoretical research of titanium/steel composite plate,promote its progress preparation technology,and broaden its application field. KEY WORDS titanium/steel composite plate;processing method;application field;transition layer;interfacial bonding strength 钛/钢复合板是由钛板与钢板以层状方式组合 素.所以，原材料情况以及复合板尺寸、界面特征 而成的一类先进金属层状复合材料，兼具钛的优 和力学性能一直都是钛/钢复合板研究开发所关注 良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，在石 的热点和重点内容 化电力、盐化工、交通运输、海水淡化、海洋工程 1.1原材料情况 和日常生活等领域应用广泛-)随着钛/钢复合 钛的原子序数22、原子质量47.87，在低于 板的应用领域不断拓展，市场对钛/钢复合板的尺 882℃为密排六方结构的a-T1,当温度超过882℃ 寸规格、界面结合质量和力学性能等都提出了新 后，钛会转变为体心立方结构的阝-Ti.钛金属具有 的要求.虽然爆炸复合法、爆炸-轧制复合法、扩 银灰色光泽，屈服强度比钢高，但重量几乎只有同 散复合法和轧制复合法（包括热轧复合法或冷轧 体积的钢的一半，在有氧、潮气、氧化剂以及铜、 复合法)都可以制备钛/钢复合板，但是这些方法普 铁、金、铂等金属离子或OH存在的环境中，表面 遍存在着污染环境、制备成本高、难以连续化制 会钝化形成一层牢固的、致密的、破损时还能自 备、复合板尺寸规格受限以及质量和性能仍然偏 动愈合的氧化物薄膜，特别是在海水等自然环境 低等问题，越来越无法满足市场不断提出的更高 中，钛的耐腐蚀性能优于不锈钢，所以钛又被称为 需求 海洋金属2-1] 界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能指 中国拥有丰富的钛矿资源，储量约占世界总 标始终是受关注的重点，表面处理方法、热轧温 量的20%，仅四川攀西地区已探明的钒钛铁矿就 度、过渡层金属和热处理工艺等影响界面结合质 达9.6×10但是，钛与氧、氨、碳、氢等元素有 量的因素也一直是该领域的研究热点.因为钛/钢 极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下 界面生成的TiC、FeTi或Fe2Ti等脆性相会损害钛/ 都会发生反应，导致钛的提取工艺非常复杂和困 钢复合板的界面结合质量，而加入过渡层金属可 难，市场上海绵钛的价格高达每吨8.0万元.高昂 以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人 的制备成本严重制约了钛的推广应用，相比之下， 们对钛/钢界面过渡层金属的选择和过渡层对界面 市场上钢的价格却很低（如碳钢的价格仅每吨 结合质量的影响进行了大量研究，但过渡层金属 0.4万元)，将钛与钢复合制成钛/钢复合板，不仅具 的添加会增加原料和制备的成本，限制了工业化 有钛的优良耐腐蚀性和钢的高强度，还可以大幅 推广应用6川 度地降低成本 国外对钛/钢复合板的研究较早，特别是日 钛/钢复合板的钛覆层材料一般为TA1、TA2 本、美国已经在化工、核电和海洋工程等领域大 等工业纯钛或Ti-6A1-4V(TC4)等钛合金，钢基层 规模使用.国内对钛/钢复合板的研究起步较晚， 材料一般为Q235、Q345、Q390、X65等低碳钢或 宽幅钛/钢复合板的制备技术仍不成熟，尺寸规格 304、316等不锈钢，15-181钛和钢（主要考虑铁元 以及复合率、板形等产品质量与国外相比仍有较 素)的物理性能如表1所示.由于钛和钢的热膨胀 大差距.本文从制备方法、界面特征、应用现状和 系数、热导率和力学性能等的差异，钛和钢在热轧 发展趋势等多个角度对钛/钢复合板的研究开发现 复合时界面会产生相对滑动.界面搓动一方面会 状进行了综述，以期为钛/钢复合板的深入理论研 促使原材料板材待复合表面的氧化层破裂露出新 究提供参考，推动钛/钢复合板制备技术的进步，拓 鲜表面，有利于界面复合，另一方面也会导致界面 宽钛/钢复合板的应用领域 产生残余应力1 1.2复合板尺寸 1 钛/钢复合板的研究现状 爆炸复合法和扩散复合法制备的钛/钢复合板 原材料情况决定了钛/钢复合板的制备方法和 的尺寸存在局限性，爆炸复合法难以制备覆层厚 应用领域，而复合板尺寸、界面特征和力学性能则 度<2mm的钛/钢复合板P,扩散复合法制备的钛/ 是影响钛/钢复合板实际应用的主要指标和关键因 钢复合板的尺寸较小，一般用于实验室研究.为了
development trend of titanium/steel composite plate were described. Finally, the main problems and future research direction of titanium/steel composite plate were pointed out. This study aims to provide a reference for in-depth theoretical research of titanium/steel composite plate, promote its progress preparation technology, and broaden its application field. KEY WORDS titanium/steel composite plate；processing method；application field；transition layer；interfacial bonding strength 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 9.6×109 t [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 · 86 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
白于良等：钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 87 表1钛和钢的物理性能刊 会影响界面TC层的连续性和均匀性，当界面真 Table 1 Physical properties of titanium and steel 空度较低时，钛/钢界面会产生较多的未结合区域， Thermal Thermal 界面也会生成随机分布的TN,这些未结合区域 Material Density/Melting conductivity/ expansion Specific heat/ (g.cm)point/C coefficient/ (W-m-K-) (JkgK) 和TiN的存在会破坏Ti和Fe在结合界面的扩散 (10K-) 均匀性，破坏界面TC层的连续性，损害界面结合 Ti 4.5 1677 13.8 8.2 539 质量-2界面处FeTi和Fe2Ti的生成温度在a- Fe 7.8 1537 66.7 11.8 482 Ti→B-Ti相变点882℃以上，而Fe是B-Ti稳定元 扩大钛/钢复合板的尺寸，一般采用爆炸-轧制复合 素，界面处Fe元素扩散进入Ti基体会降低相变温 法和热轧复合法.近年来，随着国内轧制复合技术 度，导致a-Ti在低于882℃下转变成B-Ti,进而导 致界面生成FeTi和FeTi0因为在Ti相变点温 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- 度以上，钛/钢界面会同时析出TiC、FeTi和Fe2Ti, 轧制复合制备出钛覆层厚度1.2~1.6mm、钢基层 严重恶化界面结合质量，所以钛钢直接复合的温 度一般低于相变点温度 厚度12~18mm和单张面积35m2的钛/钢复合 板2；东北大学与国内钢厂合作采用真空制坯热轧 表2钛/钢界面各相的品体学信息 复合法制备的钛/钢复合板的板幅宽度达到3.5mP叫 Table 2 Crystallographic information of phases in titanium/steel interface 随着钛钢复合板的应用领域不断拓展，未来市场 Phase Crystal system Space group lattice constant 对超薄或超厚的宽板幅钛钢层状复合板的需求将 a-Fe BCC Im-3m a=0.2866nm 会越来越旺盛 a=b=0.2951nm, a-Ti HCP P63/mmc c=0.4683nm 1.3界面特征 B-Ti BCC Im-3m a=0.3306nm 钛/钢复合板的界面结合质量一直是关注的重 TiC FCC Fm-3m a=0.4327nm 点.钛/钢复合板复合界面处的空隙和脆性相都会 a=b=0.4785nm. 损害界面结合质量.采用低速高形变轧制技术有 Fe2Ti HCP P63/mmc c=0.7799nm 利于界面空隙的消除：而界面脆性相对界面的 FeTi BCC Pm-3m a=0.2976nm 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 1.4力学性能 钛/钢界面在高温下会生成B-Ti、TiC、FeTi或 GB/T8547一2019钛-钢复合板和GB/T8546一 Fe2Ti等相，各相的晶体学信息见表2所示.这些 2017钛-不锈钢复合板中规定了钛/钢复合板的抗 相中TiC、FeTi和FeTi表现为本征脆性，脆性由 拉强度、断后伸长率和剪切强度的要求，其中抗拉 大到小依次为TiC>FeTi>FeTi.其中，TiC断裂韧 强度的下限值Rm按式(1)计算： 性只有5.7 MPa:m,对界面结合质量的损害最 Rmj= t1Rml +t2Rm2 (1) 大；而当TiC、FeTi和FeTi共存于界面时，对界面 f1+1 的损害比三者单独存在时更严重B2-2刘在相同温 式中：1为钢基层材料的厚度，mm;2为钛覆层材 度下，TiC、Fe2Ti和FeTi3种反应产物标准生成吉 料的厚度，mm;Rml为钢基层材料的抗拉强度标准 布斯自由能大小顺序为TiC<Fe2Ti<FeTi<0,说明TiC 下限值，MPa;Rm2为钛覆层材料的抗拉强度标准 最容易在界面处生成：而且由于C元素在α-Ti基 下限值，MPa 体中溶解度较低，所以钢中的C扩散至界面处容 钛/钢复合板的断后伸长率A要求不小于钢 易发生富集并与Ti反应形成TiC,界面TiC的生 基层材料或钛覆层材料标准中规定的较低断后 成在一定程度上会阻碍元素的进一步扩散：但是 伸长率.0类钛钢复合板的界面剪切强度要求≥ 当温度超过950℃，界面处TiC会重新溶解2s-2 196MPa,1类和2类钛/钢复合板的界面剪切强度 钛/钢复合板的界面结合强度随着TC层厚度的增 要求≥140MPa 大而减小，利用555~850℃、1~3h的热处理可 目前未添加过渡层金属的钛/钢复合板的界面 改变TiC层厚度四钛/钢界面形成薄且均匀的 剪切强度有的能达到200~250MPa,其中钛合金 TiC层时，有利于提高界面结合质量；界面TiC层 覆层的界面剪切强度明显高于纯钛覆层的1-3)： 厚度不均匀时，在TC较厚的区域易发生脆断，损 通过添加过渡层金属，严格控制工艺参数制备的 害界面结合强度：表面处理方式和界面真空度均 钛/钢复合板的界面剪切强度可以高达500MPa
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. 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<Fe2Ti<FeTi<0，说明 TiC 最容易在界面处生成；而且由于 C 元素在 α-Ti 基 体中溶解度较低，所以钢中的 C 扩散至界面处容 易发生富集并与 Ti 反应形成 TiC，界面 TiC 的生 成在一定程度上会阻碍元素的进一步扩散；但是 当温度超过 950 ℃，界面处 TiC 会重新溶解[25−26] . 钛/钢复合板的界面结合强度随着 TiC 层厚度的增 大而减小，利用 555～850 ℃、1～3 h 的热处理可 改变 TiC 层厚度[22] . 钛/钢界面形成薄且均匀的 TiC 层时，有利于提高界面结合质量；界面 TiC 层 厚度不均匀时，在 TiC 较厚的区域易发生脆断，损 害界面结合强度；表面处理方式和界面真空度均 会影响界面 TiC 层的连续性和均匀性，当界面真 空度较低时，钛/钢界面会产生较多的未结合区域， 界面也会生成随机分布的 TiN，这些未结合区域 和 TiN 的存在会破坏 Ti 和 Fe 在结合界面的扩散 均匀性，破坏界面 TiC 层的连续性，损害界面结合 质量[27−28] . 界面处 FeTi 和 Fe2Ti 的生成温度在 α- Ti→β-Ti 相变点 882 ℃ 以上，而 Fe 是 β-Ti 稳定元 素，界面处 Fe 元素扩散进入 Ti 基体会降低相变温 度，导致 α-Ti 在低于 882 ℃ 下转变成 β-Ti，进而导 致界面生成 FeTi 和 Fe2Ti[29−30] . 因为在 Ti 相变点温 度以上，钛/钢界面会同时析出 TiC、FeTi 和 Fe2Ti， 严重恶化界面结合质量，所以钛/钢直接复合的温 度一般低于相变点温度[31] . 表 2 钛/钢界面各相的晶体学信息 Table 2 Crystallographic information of phases in titanium/steel interface Phase Crystal system Space group lattice constant α-Fe BCC Im-3m a = 0.2866 nm α-Ti HCP P63/mmc a = b = 0.2951 nm， c = 0.4683 nm β-Ti BCC Im-3m a = 0.3306 nm TiC FCC Fm-3m a = 0.4327 nm Fe2Ti HCP P63/mmc a = b = 0.4785 nm， c = 0.7799 nm FeTi BCC Pm-3m a = 0.2976 nm 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： Rmj = t1Rm1 +t2Rm2 t1 +t2 （1） 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] . 表 1 钛和钢的物理性能[2] Table 1 Physical properties of titanium and steel[2] Material Density/ (g·cm−3) Melting point/℃ Thermal conductivity/ (W·m−1·K−1) Thermal expansion coefficient/ (10−6·K−1) Specific heat/ (J·kg−1·K −1) Ti 4.5 1677 13.8 8.2 539 Fe 7.8 1537 66.7 11.8 482 白于良等： 钛/钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势 · 87 ·
88 工程科学学报，第43卷，第1期 爆炸复合和轧制复合的钛/钢复合板界面残余应力 差较大，所以钛和钢的复合难度较大.目前，钛/钢 较大，需要在550~650℃下进行退火处理，退火 复合板的主要制备方法有爆炸复合法、爆炸-轧制 温度超过650℃会显著降低界面剪切强度26,7-粥] 复合法、扩散复合法和热轧复合法 T/439不锈钢复合板的最小延伸激活能与碳在铁 2.1爆炸复合法 中扩散的活化能相近，说明钢的塑性损失是由动 爆炸复合法是以炸药为能源，利用爆炸产生 态应变时效引起的，当界面结合强度较高时，钛层 的冲击力使两层或者多层金属板材发生剧烈碰 在250~550℃拉伸试验时会发生多次缩颈形成 撞、塑性变形、熔化以及原子间的互扩散，实现界 波纹表面，但钛的失稳不会影响钛/钢复合板整体 面牢固结合的一种金属复合板制备方法.爆炸复 的稳定性和成形性] 合坯料的装配方法有平行法和角度法两种，平行 2钛/钢复合板制备方法的研究现状 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 因为钛和钢的塑性变形能力和热膨胀系数相 所示0 Detonator Gap distance Explosive Clad plate s Base plate Installation angle Ground 777777777777777 (a)Parallel method (b)Angle method 图1爆炸复合法装配示意图网 Fig.1 Assembly diagram of explosive composite method0 爆炸复合法制备的钛/钢复合板的界面呈连续 炸复合法因环境污染和无法连续化制备钛/钢复 而规则的波形，该波形由前涡和后涡组成.尽管波 合板等问题，正在逐渐被轧制复合等其他方法所 形界面组织的存在可改善钛/钢复合板沿爆炸方向 取代7 的结合质量，但波形前涡尖端易包裹Fe2Ti、FeTi 2.2爆炸-轧制复合法 和TC等金属间化合物，这些金属间化合物周围 爆炸-轧制复合法是将待复合金属板材通过 常伴有微裂纹产生，会降低界面结合强度2,1-2 爆炸复合后，再通过冷轧或热轧获得金属复合板 爆炸载荷对钛/钢复合板的界面结合强度、界面组 的一种制备方法.爆炸-轧制复合法的一般工艺流 织和金属间化合物影响较大.爆炸载荷较低时，界 程是：金属板材准备→表面处理→爆炸复合→爆 面的波形平缓，振幅较小：随着爆炸载荷增大，界 后热处理→热轧→冷轧→校平.由于爆炸复合钛/ 面的波形振幅也逐渐增大，界面处熔化的金属比 钢复合板的界面加工硬化会影响后续轧制效果， 例增大，界面结合更紧密；但增大爆炸载荷也会促 需要通过爆后热处理消除界面的加工硬化；热处 使界面生成金属间化合物，损害界面结合强度24好44 理时需要控制温度低于850℃，避免界面生成 爆炸复合时，界面碰撞的动能损失和界面金属间 Fe2Ti和FeT26,7-4]钛/钢复合板的界面结合强度 化合物的生成也会降低钛/钢复合板的界面结合强 随着轧制压下率增大而增大.这是因为随着轧制 度.Manikandan等采用增加不同厚度过渡层金 压下率的增大，爆炸形成钛/钢复合板的波形界面 属的方法控制爆炸复合时界面的能量损失，发现 逐渐变得平直，界面金属间化合物破碎成不连续 添加薄的过渡层金属可产生没有金属间化合物的 分布的状态，有利于界面结合强度的提高9王敬 钛/钢界面，当过渡层金属厚度增大时，界面金属间 忠等B8]先用爆炸复合法把钛板和DT4纯铁过渡 化合物层的厚度也增大 层复合，再用热轧复合法将T/DT4与Q235钢板复 爆炸复合法因其工艺简单，易复合性质（熔 合，制备了T/DT4/Q235复合板；研究了制备工艺 点、强度、热膨胀系数等)相差较大的钛和钢，是 对界面结合强度的影响，发现热轧温度在830~ 制备钛/钢复合板最常用的方法之一但是，爆 880℃、退火温度在550~650℃时界面金属间化
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] . Detonator Explosive Clad plate Base plate Ground (a) Parallel method (b) Angle method α Installation angle Gap distance h 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 · 88 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期