轧制温度对TA1/Q345复合板性能的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.014 第35卷第1期 北京科技大学学报 Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2013 轧制温度对TA1/Q345复合板性能的影响 余伟回，张蕾，陈银莉，谢利 北京科技大学冶金工程研究院，北京100083 通信作者，E-mail:yuwei@nercar,.ustb.edu.cm 摘要相对于爆炸复合法和爆炸轧制复合法而言，采用真空轧制生产钛钢复合板的方法更加适应大规模生产需要。 本实验将TA1钛材置于两块Q345钢材中间组成组合坯，组合坯经抽真空至0.】Pa后密封，在840930℃下进行加 热轧制，对轧制复合样进行力学性能检测，并利用扫描电镜、X射线衍射分析及显微硬度仪对组织与界面结合度进行分 析.在该实验条件下，钛钢复合板剪切强度在159MPa以上，达到了1类复合板标准要求，870℃轧制复合板性能较优 900和930℃轧制时，钛发生相变，同时在界面处生成了较多的金属间化合物，钛和钢的变形抗力相差过大和变形不协 调导致界面附近的内应力变大，这些因素都降低了界面的剪切强度.840℃轧制后剪切强度低的原因是由于温度过低影 响了界面附近元素的扩散 关键词金属复合：轧制：温度；力学性能：界面：金属间化合物 分类号TG335.8 Effect of rolling temperature on the properties of TA1/Q345 composite plates YU Wei ZHANG Lei,CHEN Yin-li,XIE Li Metallurgical Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yuweinercar.ustb.edu.cn ABSTRACT Compared to the explosion cladding method and explosion-rolling cladding method,TA1/Q345 clad plates produced by the vacuum rolling method can better meet the demands of large-scale production.A TAl titanium alloy sheet was packed between two Q345 steel plates to obtain a composite slab.The composite slab was vacuumized to 0.1 Pa and then sealed.At temperatures of 840 to 930 C the composite slab was rolled to a cladding plate.The mechanical properties of the cladding plate were tested,and the interfacial microstructure and bonding were analyzed by scanning electron microscopy,X-ray diffraction,and micro hardness tester.In the laboratory condition,the shear strength of the cladding plate is above 159 MPa,more than the standard requirement of Class 1 clad plates.The bonding mechanical properties are excellent when the rolling temperature is 870 C.During rolling at 900 C and 930 C there occur phase transitions in the titanium and a great deal of intermetallics form near the interface.Too much deformation resistance difference between the titanium and the steel brings about more uncoordinated deformation and internal stress near the interface,which decrease the shear strength of the interface.The lower shear strength at 840 C is due to the low rolling temperature.which leads to slow element diffusion near the interface. KEY WORDS metal cladding:rolling:temperature;mechanical properties;interfaces;intermetallics 钛具有密度低、低温韧性优异、耐蚀性突出等爆炸-轧制复合③、轧制复合等，爆炸复合是利用 优点，但由于价格昂贵使其应用受到很大限制.钛炸药作能源，属于爆炸焊接，虽然其复合效果比较 钢复合材料以其高强度、优异的耐蚀性能和显著的 好，但在操作及安全性方面存在不利之处；近年来 经济效益而被广泛应用于化工、石油等工业部门山. 研究较多的是累积叠轧焊(ARB)4-5),其属于轧制 目前钛钢复合板生产方法主要有爆炸复合)、复合中的一种，是得到较大的累积变形量的有效方 收稿日期：2011-10-28

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 奄〕 轧制温度对 复合板性能的影响 余 伟 困, 张 蕾, 陈银莉, 谢 利 北京科技大学冶金工程研究院, 北京 乙 通信作者, 异, , 毛 , 摘 要 相对于爆炸复合法和爆炸一轧制复合法而言, 采用真空一轧制生产钦钢复合板的方法更加适应大规模生产需要, 本实验将 工八 钦材置于两块 钢材中间组成组合坯, 组合坯经抽真空至 后密封, 在 ℃下进行加 热轧制 对轧制复合样进行力学性能检测 并利用扫描电镜 、 射线衍射分析及显微硬度仪对组织与界面结合度进行分 析 在该实验条件下, 钦钢复合板剪切强度在 以上, 达到了 类复合板标准要求, ℃轧制复合板性能较优 和 ℃轧制时, 钦发生相变, 同时在界面处生成 了较多的金属间化合物, 钦和钢的变形抗力相差过大和变形不协 调导致界面附近的内应力变大, 这些因素都降低了界面的剪切强度 ℃轧制后剪切强度低的原因是由于温度过低影 响 了界 面附近 元 素 的扩散 、 关键词 金属复合 轧制 温度 力学性能 界面 金属间化合物 分 类号 , “ 。乞汤创 翻 五已乞, 邢 刃 几一, , 招 五 , ,一 , 、 , 盯 飞, , , 曰 , 尤 ￡ 、 , 一 , ` 一 人 , , 〔 , ℃ 『 , 一 , , 一 价 , 、 , , ℃ 〔 , 而 , 一 钦具有密度低 、低温韧性优异 、耐蚀性突出等 优 点, 但 由于价格 昂贵使其应用受到很大限制 钦 钢 复合材料 以其高强度 、优异的耐蚀性能和显著的 经济效益而被广泛应用于化工 、石油等工业部 门 ` 目前钦钢 复合板生产方法主要有爆炸复合 、 收稿 日期 一 一 爆炸一轧制复合 因 、 轧制复合等 爆炸复合是利用 炸药作能源 , 属于爆炸焊接, 虽然其复合效果 比较 好 , 但在操作及安全性方面存在不利之处 近年来 研究较多的是累积叠轧焊 一“, 其属于轧制 复合中的一种, 是得到较大的累积变形量的有效方 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.01.014

.98 北京科技大学学报 第35卷 法.该方法大幅度提高了结合性能，但在实际生产 1实验材料和方法 中需反复叠片，操作较繁，生产工艺复杂.本研究 采取真空环境下多道次热轧复合板的方法来生产钛 实验采用Q345钢板作为基层材料，尺寸为200 钢复合板，此方法较之前的几种方法简单易行.在 mm×150mm×15m:TA1钛板作为复层材料，尺 钛钢复合过程中，轧制温度对复合性能有重要的影 寸为110mm×70mn×3m1,其化学成分如表1所 响，因此值得深入研究 示. 表1TA1合金和Q345钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of TAl alloy and Q345 steel% 材料 Fe Ti Si Mn P S N H 0 TAI 0.08 余量 0.05 0.01 0.112 0.01 0.08 Q345 余量 0.17 0.30 1.29 0.02 0.03 采用对称组坯的方式，先用砂纸将Q345钢 内径为4mm,长120mm的钢管：接着通过钢管对 板、TA1钛板表面进行打磨，打磨方向沿轧制方向 复合板坯间隙抽真空，利用ZDF-5227川型复合真 进行，露出新鲜金属，再将表面处理后的Q345板 空计将复合板坯间隙抽真空至0.1Pa,用压钳进行 坯两两对正叠置，中间放入TA1钛板，对复合面四 密封后再次将真空管进行焊接密封.图1为抽真空 周采用氩孤焊进行焊接密封，在最后焊合处留出5 后焊接组坯示意图. nm的未焊合区；在未焊合区上焊上外径为l0mm, 组坯后焊接 接管并抽真空 压钳封口 Q345 图1板坯组合抽真空示意图 Fig.1 Schematic diagram of vacuum pumping of a composite slab 选取840、870、900和930℃四个温度进行加 围的硬度分布；应用CMT4105微电子万能试验机 热，保温时间1h,开轧温度即为加热温度，轧制工 在室温下对材料进行强度测试. 艺参数见表2：选取总压下量为80%，首道次压下 量为20%，组坯后板料总厚度为30mm,经过6道 2实验结果 次轧制成6mm厚复合板. 2.1力学性能 由于检验复合板复合性能的主要技术指标之 表2轧制工艺参数 一是结合性能，即剪切强度的大小.在其他性能 Table 2 Process parameters of rolling 指标均达到国家标准的同时，首要考虑其剪切强 开轧温度/℃ 840 870 900 930 度.日本工业标准JIS0601规定钛钢复合材料 终轧温度/℃ 647 702 731 756 和GB8547标准中规定0类复合板的剪切强度为 对轧制后的复合板进行取样分析，按照国家标 196MPa,1类和2类复合板的剪切强度为140MPa. 准GB/T6396-1995《复合钢板力学及工艺性能试 经过抽真空和轧制复合后，轧制温度在840 验方法》、GB8547-2006《钛钢复合板》对轧制出的 ~930℃之间，试样剪切强度随温度变化曲线如图 复合板进行拉剪试验、板材拉伸试验和冷弯试验， 2所示.由图2可以看出：在870℃时复合板的剪 用NEOPHOT21大型光学显微镜观察材料的金相 切强度最优，达到172MPa:900℃时剪切强度有 组织；应用CAMBRIDGE S250-MK2型扫描电子 所下降，为159MPa,虽然930℃时又有所升高， 显微镜观察材料的微观组织以及复合界面形貌：应 但是只达到165MPa.因此，在该实验条件下，试 用HXD-10OOVM显微硬度计测量材料复合界面周 样的剪切强度达到了日本工业标准和国标中钛钢

第1期 余伟等：轧制温度对TA1/Q345复合板性能的影响 .99· 复合板中对1类复合板的剪切强度要求.试样抗 板结合率为100%，1类复合板为大于98%，2类复 拉强度随温度变化曲线如图3所示.由图3可以 合板大于95%，此次轧制试样中，四个温度的轧制 看出，复合板的抗拉强度在553.2~594MPa之间， 样均达到了国家标准0类复合板的规定值.图5为 并随着轧制温度升高而提高；按照国家标准，钛钢 840℃和870℃轧制样的冷弯试验照片. 复合板的抗拉强度根据复合层的厚度和强度要求其 600 计算值应在496499MPa之间.所以，此次轧制出 5900 试样的抗拉强度均达到了国家标准.在该实验条件 580 下试样伸长率随温度变化曲线如图4所示.由图4 可知，开始轧制温度在840900℃之间时，随温度 赵550 升高，复合板的伸长率增加，但930℃轧制时伸长 率反而降低.国家标准中规定伸长率要大于或等于 520 基材或复材标准中的较低一方的规定值.根据标准 510 要求，钛的伸长率≥20%，钢的伸长率≥27.5%.本 500 840 870 900 930 实验中，不同轧制温度下，钢的伸长率均>30%， 轧制温度/℃ 因此此次轧制出的复合板的伸长率达到了国家 图3 轧制温度对试样抗拉强度的影响 标准 Fig.3 Effect of rolling temperature on the tensile strength of 200 samples 180 44 42 140 8 120 36 10 4 3 80 60 840 2 870900 930 2 轧制温度/℃ 840 870 900 930 图2轧制温度对试样剪切强度的影响 轧制温度/℃ Fig.2 Effect of rolling temperature on the shear strength of 图4轧制温度与伸长率的关系 samples Fig.4 Effect of rolling temperature on the elongation of sam- 2.2冷弯试验 ples 对不同轧制温度的试样均进行180°冷弯试验， 综合以上力学性能指标的检测及冷弯试验得 弯心直径为20mm,肉眼观察试样弯曲部分结合面 知，本次实验轧制出的钛钢复合板均达到了国家标 均没有出现分层开裂的现象：国标中规定0类复合 准中1类、2类复合板的要求 (b) 图5840℃(a)和870℃(b)下冷弯试验后的试样照片 Fig.5 Photos of samples after cold bend test at 840 C (a)and 870 C (b)

第 期 余 伟等 轧制温度对 复合板性能的影响 复合板 中对 类复合板的剪切强度要求 试样抗 拉强度 随温度变化 曲线如图 所示 由图 可 以 看出, 复合板 的抗拉强度在 、 。之间, 并随着 轧制温度升高而提高 按照国家标准, 钦钢 复合板的抗拉强度根据复合层的厚度和强度要求其 计算值应在 、 之间 所 以, 此次轧制出 试样的抗拉强度均达到了国家标准 在 该实验条件 下试样伸长率随温度变化曲线如图 所示 由图 可知, 开始轧制温度在 、 ℃之 间时, 随温度 升高, 复合板的伸长率增加, 但 ℃轧制时伸长 率反而降低 国家标准 中规定伸长率要大于或等于 基材或复材标准 中的较低一方的规定值 根据标准 要求 , 钦的伸长率 , 钢的伸长率 本 实验 中, 不 同轧制温度下 , 钢的伸长率均 沉, 因此 此次 轧 制 出 的复合 板 的伸 长 率达 到 了 国家 标准 板结合率为 , 类复合板为大于 , 类复 合板大于 , 此次轧制试样中, 四个温度 的轧制 样均达到了国家标准 类复合板的规定值 图 为 ℃和 ℃轧制样的冷弯试验照片 一 一 〔 卜尸冲刁汤丹﹃﹄︸只匕曰口白一八尸了门口曰目︺ 侧粼牟蒙记 轧制温度 下 图 轧制温度对试样抗拉强度 的影响 · 价 部五 一 一 一以介曰八﹄︹︺ 一 一 级等华次 且`飞沪了户、苦 一打曰 上注一`门︺曰 `匕〔 一— 于 称刨蒙弓一式川 轧制温度 ℃ 图 轧制温度对试样剪切强度的影响 、 一 通 一 飞 冷弯试验 对不同轧制温度的试样均进行 冷弯试验, 弯心直径为 , 肉眼观察试样弯 曲部分结合面 均没有 出现分层开裂的现象 国标中规定 类 复合 〔 轧制温度 下 图 轧制温度与伸长率的关系 · 瓜 丁 综合 以上力学性 能指 标的检测及冷弯试 验得 知, 本次实验轧制 出的钦钢复合板均达到 了国家标 准中 类 、 类复合板的要求 图 。 ℃ 和 ℃ 下冷弯试验后的试样照片 · , ℃

,100 北京科技大学学报 第35卷 2.3界面组织形貌 图6(c)和(d)是870℃和930℃下轧制的复 图6(a)和(b)是870℃和930℃下轧制的复合 合板复合界面结合不良的界面组织扫描电镜照片 板复合界面结合较好的界面组织扫描电镜照片，由 由两图可以明显看出界面处的黑色物质，通过扫描 两图可以看出Q345钢的基体组织是铁素体(F)加 电镜分析可以知道，黑色物质是氧化物或是夹杂等 珠光体(P),而在靠近复合界面处几乎都是铁素体 脆性化合物.当复合板复合界面结合不良时，一旦 (F),说明在高温下碳元素从钢中向钛侧发生了书扩试样受力这种脆性化合物成为裂纹源导致复合板开 散，钛元素较活泼会从钛基体中向钢侧扩散，与碳 裂，从而影响复合板质量.这种氧化物的形成与轧 元素相遇形成TC脆性化合物，同时钛元素也会与 制前的焊接热影响有关，焊接可能导致部分金属表 铁元素结合，生成FeTi金属间化合物，而这些脆 面在复合前已产生氧化. 性化合物对复合板的结合性能有较大影响同 (b) 10m 10μm (4) 2四 2μm 图6不同轧制温度下试样复合界面处的扫描电镜照片.()870℃，界面结合良好：(b)930℃.界面结合良好：(c)870℃，界面 结合不良；(d)930℃，界面结合不良 Fig.6 Bonding interfacial SEM images of samples at different rolling temperatures:(a)870 C,good bonding interface:(b)930 ℃，good bonding interface;(c)87o℃，bad bonding interface;(d)g3o℃，bad bonding interface 3微观分析 TA1钛材中存在一定量的铁元素，钛的扩散比铁更 3.1界面分析 快，而这种扩散会生成TiC及FcTi金属间化合物， 热轧钛钢复合板的方法是基材与复材在高温 这些化合物硬度比较高、塑性低，对钛钢复合界面 的结合会产生不良的影响 高压下进行变形、焊合的一种工艺方法，在高温 图8为不同轧制温度下复合板复合界面不同位 的条件下，易于形成稳定的扩散，从而实现金属间 置的显微硬度变化曲线.由图可以看出，不同轧制 的焊合，而轧制后的钢坯余热可以使得扩散更为均 温度下，界面处显微硬度均比钢和钛的基体组织硬 匀、充分，有关研究证明这种扩散在钛/钢复合中起 度大.当轧制温度升高时，铁、钛和碳三种元素在钛 到了很重要作用冈，不过由于扩散的发生也有易于 基体中的扩散速度变大，从而更易于在界面处形成 形成TiC脆性化合物以及FeTi金属间化合物，而 脆性化合物，在界面处表现为显微硬度值随着温 这些物质对复合界面的性能影响较大 度的升高而升高. 图7为930℃时界面附近发生的元素扩散曲 金属复合目前有四种理论：机械啮合理论、再 线.由图可以看出扩散是与F和Ti的浓度梯度和 结晶理论、扩散理论、金属结合的能量理论以及N 扩散系数有关系的.由于Q345钢中没有钛元素，而 By机理9.实验在四个温度下进行轧制，不同轧

第1期 余伟等：轧制温度对TA1/Q345复合板性能的影响 101· 制温度对材料的复合性能产生了不同的影响，其中 的复合温度范围是相变机理、扩散机理、再结晶机 在870℃轧制时复合板的剪切强度最大.原因之一 理和能量机理的综合作用的结果.所以终轧温度是 是，钛的相变温度是882℃，当轧制温度在900℃ 影响双金属界面相结合的一个重要因素山. 和930℃时，钛由α相已经转变成B相，根据扩散 机理应该有利于结合，但是扩散促进了TiC及Fe- 600 T金属间化合物形成，这些化合物硬度比较高、塑 性低，最终降低了复合材料的结合性能.其次，按 500 照金属结合的能量理论，外界压力使得界面处的金 属接近原子间作用力的范围内，就能够形成冶金结 400 合1.当温度升高时，钛与钢的变形抗力相差过大， 轧制变形的不协调不利于新生界面的形成，从而影 300 响双金属的复合，使两者结合性能有所下降.再者， 200 根据再结晶理论，界面两边在外力作用下，原子逐 渐达到晶格常数的距离，即达到金属键力的作用范 100 围内，金属原子重新排列形成同属于两块板坯的共 同晶粒，最终形成冶金复合.Q345钢在840℃轧制 10 20 时变形再结晶困难，影响新界面的形成，降低了界 距离/m 面结合力.同时，轧制温度降低，原子的扩散性能 图7界面处元素分布曲线 下降，根据扩散理论，也会影响复合效果.钛钢最佳 Fig.7 Element distribution curves at the interface 450 (b) -840℃ 400 -870℃ -+900℃ 350 -◆-930℃ 300 钢侧 钛侧 250 200 150 -400-2000200400600 距离/m 图8不同轧制温度下复合板复合界面不同位置()处的显微硬度变化曲线(b) Fig.8 Different locations (a)and microhardness variation curves (b)near the interface of the cladding plate rolled different temperatures 3.2剪切断口分析 而影响复合板界面的质量，导致复合性能下降 根据复合板国家标准检测方法可知，复合板的 图10是870℃轧制时剪切断口X射线衍射谱. 复合性能主要体现在其结合强度，所以通常需要对 由图可以看出：在断口钛侧有TiC及金属间化合 剪切断口进行电镜扫描及X射线相分析，分析在试 物FeTi、Fe2Ti,也有少量氧化物TiO的存在；而断 样发生断裂处是哪些物质导致断裂现象的发生.图 口钢侧有少量TiO2、FeTiO氧化物，钢的基体组织 9是选取的870℃和930℃下的轧制复合板剪切断 显现的不明显，通过扫描电镜可知剪切断裂发生在 口扫描电镜照片，从两图可以看出断口处存在片层 界面偏向钛侧，有研究表明：TC及金属间化合物 状的断裂，这种断裂通常认为是韧性断裂，能谱分 从钛侧到钢侧的排列顺序是TiC、FeTi和Fe2Ti12 析显示断裂处有氧元素的存在，在后面的X射线衍 虽然不同轧制温度下都会生成TiC及Fe-Ti金属间 射分析中也说明界面处存在金属氧化物.虽然在本 化合物，但是这些生成物的含量是不同的.当变形 次实验中采取了打磨以及真空处理，但因焊接前的温度在850℃时界面化合物主要是TiC,当变形温 长时间搁置，在双金属表面再次形成了氧化膜，从度为900℃时界面化合物主要是Fe2Ti,随着Fe2Ti

第 期 余 伟等 轧制温度对 复合板性能的影响 卞写侧燃︵︶ 制温度对材料 的复合性能产生了不同的影响 , 其中 在 ℃轧制时复合板的剪切强度最大 原 因之一 是, 钦的相变温度是 ℃, 当轧制温度在 ℃ 和 ℃时 , 钦 由 。相 已经转变成 口相 , 根据扩散 机理应该有利于结合 , 但是扩散促进 了 及 金属间化合物形成, 这些化合物硬度 比较高 、塑 性低 , 最终降低 了复合材料 的结合性能 其次 , 按 照金属结合 的能量理论 , 外界压力使得界面处的金 属接近原子 间作用力的范围内, 就能够形成冶金结 合 当温度升高时 , 钦与钢的变形抗力相差过大, 轧制变形的不协调不利于新生界面 的形成 , 从而影 响双金属的复合 , 使两者结合性能有所下降 再者, 根据再结晶理论 , 界面两边在外力作用下, 原子逐 渐达到晶格常数的距离 , 即达到金属键力的作用范 围内, 金属原子重新排列形成同属于两块板坯的共 同晶粒 , 最终形成冶金复合 钢在 ℃轧制 时变形再结晶困难 , 影响新界面的形成, 降低了界 面结合力 同时 , 轧制温度 降低, 原子的扩散性能 下降, 根据扩散理论 , 也会影响复合效果 钦钢最佳 的复合温度范围是相变机理 、扩散机理 、再结晶机 理和能量机理的综合作用的结果 所 以终轧温度是 影响双金属界面相结合 的一个重要 因素扭` 、 、 、 、 距离 砰 图 界面处元素分布曲线 山﹄合日勺甘口一︸门︺ 侧出洲写 比灰产写方一言一茄 石 距离 卜 图 不同轧制温度下复合板复合界面不同位置 处的显微硬度变化 曲线 剪切 断口分析 根据复合板国家标准检测方法可知, 复合板 的 复合性能主要体现在其 结合强度, 所 以通常需要对 剪切断口进行 电镜扫描及 射线相分析, 分析在试 样发生断裂处是哪些物质导致断裂现象 的发生 图 是选取 的 ℃和 ℃下的轧制复合板剪切断 口扫描电镜照片 从两图可 以看 出断口处存在片层 状 的断裂 , 这种断裂通常认为是韧性断裂 , 能谱分 析显示断裂处有氧元素的存在 , 在后面的 射线衍 射分析中也说 明界面处存在金属氧化物 虽然在本 次实验 中采取 了打磨 以及真空处理 , 但因焊接前的 长时间搁置, 在双金属表面再次形成了氧化膜 , 从 而影响复合板界面 的质量 , 导致复合性 能下降 图 是 ℃轧制时剪切断口 射线衍射谱 由图可以看 出 在 断 口钦侧有 及金属间化合 物 、 , 也有少量氧化物 的存在 而断 口钢侧有少量 、 氧化物 , 钢的基体组织 显现 的不明显, 通过扫描电镜可知剪切断裂发生在 界面偏 向钦侧 有研 究表 明 及金属间化合物 从钦侧到钢侧的排列顺序是 、 和 ` 虽然不同轧制温度下都会生成 及 一 金属间 化合物 , 但是这些生成物的含量是不 同的 当变形 温度在 ℃时界面化合物主要是 , 当变形温 度为 ℃时界面化合物主要是 , 随着