钛/钢层合板轧制复合研究进展与展望
郭雄伟
1,2
，武张静
3
，李宁
1,2
，马晓宝
1,2
，王涛
1,2
，任忠凯
1,2
(1. 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心， 山西 太原 030024；
2. 太原理工大学机械与运载工程学院， 山西 太原 030024；3. 太原理工大学现代科技学院， 山西 太原 030024)
摘要：
钛/钢层合板兼具钛的耐腐蚀性与钢的良好强度和塑性，广泛应用于海洋工程装备、水电站、核电站、核潜艇等领域。为进一步推动对钛/钢层合板的深入研究，促进钛/钢层合板的发展，对近年钛/钢层合板制备方法进行分析。分析发现轧制法作为一种经济、环保的制备方法，将会成为制备钛/钢层合板的主流工艺，因此重点讨论轧制钛/钢工艺参数、界面组织特征、界面结合机理与化合物形成机制。分析制备温度、轧制工艺、化合物种类、退火工艺等因素对钛/钢层合板力学性能的影响，发现变形不协调、温度与脆性化合物始终是影响层合板界面强度提升的重要因素。通过添加中间层可以在一定程度上改善界面成分并提高界面结合强度，而温度过高会导致严重的界面缺陷。因此，钛/钢层合板未来的研究方向与发展前景是通过轧制法制备波纹界面层合板以及将辅助能场引入层合板轧制领域。
关键词：
钛/钢层合板； 制备方法； 中间层； 微观组织； 力学性能
随着国家制造业转型升级以及对新材料产业战略规划的高度重视，具备多种金属材料优异性能的金属层合板逐渐成为关注热点。钛具有高强、轻质及良好耐腐蚀性能，是优异的轻型材料，被称为“海洋金属”，是建设海洋强国的重要战略材料，但是其成本较高。钢具有良好的力学性能及成形特性，但其耐腐蚀能力远不如钛。钛/钢复合板兼具两种材料的性能优势，同时可以降低材料成本，因此逐渐成为单一钛材的替代品，广泛应用于化工、电力、石油、航空航天、海洋等领域，因此发展钛/钢层合板具有较高的应用价值和经济价值。
目前制备钛/钢层合板的主要方法有扩散复合法、爆炸复合法、爆炸-轧制复合法和轧制复合法。其中，扩散复合法多用于制备尺寸较小的焊接接头，制备时间长、效率低；爆炸复合法制备的钛/钢层合板能够获得波纹状界面，结合强度高、工艺简单，但是炸药爆炸时产生的噪音和振动对周围环境有很大影响，背离现代工业绿色发展新趋势，而且工作条件差，机械化程度低，受气候条件限制，不能用于生产更大尺寸和薄的钛/钢层合板；为了生产尺寸更大、厚度更薄的钛/钢层合板，可以采用爆炸-轧制复合法，但是实际生产过程中工艺繁琐，且轧制过程如果控制不当，将大大降低钛钢层合板的结合强度；轧制复合法生产的钛/钢层合板具有制品表面质量好、尺寸自由度大、尺寸精度高、生产效率和成品率高、环境污染小等优点，该方法非常适合加工薄覆层、大面积的层合板，符合钛/钢层合板的发展趋势，因此是当前以及未来的主要研究方向。
为了进一步推动钛/钢层合板制备的深入研究，本文基于当前国内外轧制法制备钛/钢层合板的研究进展，从工艺参数、微观界面织构、宏观力学性能以及热处理等方面，总结了影响钛/钢层合板结合强度的关键因素，同时指出当前研究存在的问题，并对未来的研究方向进行了展望。
工艺参数的选取是影响钛/钢层合板结合强度的决定性因素，主要包括界面真空度、加热温度、压下率以及中间层的选择。
1.1界面真空度
钛在空气中加热时很容易氧化，因此采用四周密封焊接与小孔抽真空法将钛密封在钢内部，组坯示意图如图1所示。抽真空作为热轧制备钛/钢层合板的第1道工序，对后续工序有直接影响。LIU B X等通过分析不同真空度(100 000、400、10、0.1、0.01 Pa)下制备的不锈钢层合板发现，界面氧化百分比随真空度的增加而逐渐降低，层合板界面结合强度提高，真空度为0.01 Pa时界面强度最高，达到332 MPa。此外，YANG D H等在不同真空度下焊接并轧制制备了TA2/Q345层合板，结果表明大气压下焊接时，轧后界面随机分布的TiN破坏了界面TIC的连续性以及钛和铁的均匀扩散区域，而真空度为0.01 Pa下焊接时，界面TiN含量大幅减少，剪切强度达到298 MPa。
虽然采用小孔抽真空法工艺简单，成本相对低廉，但界面在焊接过程中易氧化，且界面真空度不高，因此界面强度较低且成材率低。为保证待复合表面间形成高真空状态，骆宗安等在制坯过程中引进大规格真空电子束焊接(EBW)装置，发明了真空制坯热轧复合技术(VRC)。研究表明，通过冷喷涂工艺，在低温下将钛粉粘附在钢表面形成致密涂层，无需抽真空就能保证界面与空气隔绝，防止界面发生氧化，有效简化加工步骤，但是喷涂后的涂层中通常会存在孔洞和缺陷。为此，ZHAO Z P等在冷喷涂后通过热轧和热处理有效去除缺陷并改善了涂层的力学性能。综上所述，界面真空度的保证是钛/钢层合板高强度结合的重要工序，目前主要通过小孔抽真空与真空电子束封焊实现真空制坯，冷喷涂工艺虽然省去抽真空步骤，但是其对喷涂设备的需求增加了制备成本，因此亟需探索更加高效、便捷、低成本的界面高真空度新工艺。
1.2加热温度
合理的加热温度能有效改善界面成分，促进界面结合强度提升。图2所示为加热温度为925~1 000 ℃条件下钛/钢复合板界面背散射形貌，可以看出，随着加热温度的升高，界面处化合物层厚度与种类明显增加，剪切性能下降，925与950 ℃时界面处存在Fe2Ti和TiC，温度达到1 000 ℃时界面开始出现FeTi化合物。因钛的相变点温度为882 ℃，在相变点温度附近，钛的力学性能发生突变；在相变点温度以上，铁极易溶于钛中，易生成Fe2Ti和FeTi化合物。因此，为了使轧制过程中钛的力学性能稳定，在拥有较小变形抗力的同时又不容易生成Fe2Ti和FeTi，YU C等在850 ℃下通过轧制法使TA2和Q235B复合，最终在68%压下率时剪切强度达到271.2 MPa。而在950和1 050 ℃下制备的TA2/Q235B层合板界面剪切强度下降，这是由于较高温度下界面附近铁素体区域厚度与生成的化合物增加。王光磊等利用热模拟试验机进行了加热温度分别为800、850、900、950 ℃的纯钛TA2与304L不锈钢的压缩复合试验，发现界面处存在分辨明显的金属间化合物层，且温度越高，化合物层越厚，剪切试验显示，在850 ℃时结合强度最高，达到147.5 MPa，在此温度下通过轧制制备的层合板结合强度达到215 MPa。
为了阻止高温下界面化合物生长造成的界面结合强度下降，CHAI X Y等采用在钛和钢中间插入纯铁中间层的办法，虽然在850和900 ℃下界面剪切强度获得提升，但是当温度达到950及1 000 ℃时，由于纯铁中间层的存在，加剧了铁向钛侧的扩散，产生了较厚的Fe2Ti和FeTi脆性反应层，剪切强度降低。综上所述，合理控制加热温度，形成成分、厚度合理的化合物层是提高层合板结合强度的重要手段。
1.3压下率
在压下率方面，增大压下率能够有效提高层合板结合强度，一方面大塑性变形产生的热能促进基体中的主要元素相互扩散，另一方面强大的轧制压力促进基体材料相互嵌入。余超等在不同温度下制备了压下率范围为18%~70%的TA2/Q235B层合板，结果表明剪切强度随着压下率的增加而增加(图3)；对比了不同压下率下添加DT4与不添加DT4中间层的钛/碳钢层合板界面微观形貌，发现压下率为8%时，未添加中间层的层合板界面由于变形量不足以使钛和碳钢的交界面发生充分接触，交界面上存在大量未结合区域，而相同压下率下添加中间层后达到了很好的结合状态，但是结合强度较低。随着压下率的增加，无论是否添加中间层，界面强度都逐渐提高，且压下率大于35%时剪切强度开始趋于一致。
多道次压下实现的大压下率能够有效提升层合板界面结合强度，其中首道次压下最为关键，王光磊等认为层合板抗拉强度、伸长率、断面收缩率及塑性都随首道次轧制压下率的增大而逐渐改善的原因在于：随着首道次压下率的增大，界面生成物尺寸逐渐变小，数量减少，形态由长条状逐渐过渡为弥散分布的细小颗粒状。为了进一步研究大压下率促进界面结合的原因，LI B X等使用初始楔形钛和钢板，经过单道次轧制，在单块层合板上实现了0~86.8%范围的压下率，剥离结果表明剥离强度随着压下率的增加而增加，且更大的压下率也促进了钛和钢层之间更强的协同变形。显然增大压下率是促进层合板结合强度提升的重要方法，然而过高的压下率会导致轧机高负载运行，增加了对设备的要求和工艺复杂性。
1.4中间层选择
热轧复合工艺的技术难题之一是严格控制结合界面处形成的反应产物，其中界面处TiC、Fe2Ti和FeTi脆性相反应产物是造成结合性能下降的主要因素。针对上述问题，通常采用在钛和钢之间插入中间层的方法，常用的中间层材料包括Cu、DT4、Ni以及Nb等。
Saboktakin R M等选择Cu作为中间层材料，虽然阻止了Fe与Ti相互扩散，但是在界面附近发现大量不利于结合强度提高的Ti2Cu3、Ti3Cu4、TiCu和Ti2Cu相。由于镍和钢之间不会产生任何金属间化合物，并且Ti-Ni金属间化合物具有一定的可塑性，脆性相对较小，因此YANG D H等使用Ni中间层在不同加热温度下制备钛/钢层合板。研究发现，在800 ℃时Ni中间层有效阻止了钛和钢之间的元素扩散，层合板剪切强度达310 MPa，但是当温度达到1 000 ℃时，元素扩散不受Ni夹层的限制，剪切强度大幅降低至151 MPa。Cu和Ni 虽然在一定程度上阻碍了钢与Ti的直接扩散，但其本身依然会与Ti生成脆性化合物，这导致其结合强度依然不高。与 Cu和Ni相比，Nb与Ti在相图上并不会生成任何脆性化合物，Fe和Nb之间由于相对较弱的界面反应而获得了良好结合性能。然而，在高成本和小尺寸的工业应用中，Cu、Ni和Nb中间层的应用受到成本限制，相比之下，纯铁中间层非常适合实际生产中的应用。YU C等在不同温度下制备了DT4中间层的TA2/Q235层合板，在850 ℃时结合强度最高，达到237.6 MPa；950 ℃时中间层抑制作用大幅减弱，生成了TiC等削弱界面强度的化合物。中间层的引入大幅提升了界面结合强度，继续探索更加适用于工业生产的中间层仍是钛/钢层合板的重要发展方向。
2.1元素扩散与化合物形成机理
在钛/钢层合板结合界面发生的扩散现象为固态扩散，元素扩散的同时伴随着金属间化合物的生成。表1所示为不同温度条件下C、Ti和Fe元素在钢和钛中的扩散系数。通过分析扩散系数可知，结合界面主要发生Fe和C在钛中反应扩散，形成多种反应相。因此，温度对Fe、C扩散的影响将决定反应相的形成与长大过程。
由Ti-C二元相图和Fe-Ti二元相图(图4)可知，C在α-Ti中的最大溶解度为2%，远大于Fe在α-Ti中0.2%的溶解度，因此在Ti的相变温度以下加热时优先生成TiC。柴希阳等进一步对界面反应相的标准摩尔生成吉布斯自由能与温度的关系进行分析，发现在相同温度条件下，标准摩尔生成吉布斯自由能变化值的顺序为：FeTi＞Fe2Ti＞TiC。而骆宗安等的研究表明，界面处首先产生的均匀分布的TiC层有效阻止了Fe向Ti侧的扩散。加热温度超过相变温度后，Fe穿过TiC层扩散到钛侧，Fe-Ti系金属化合物加快生成，界面结合强度大幅降低。此外，CHANG G S等在界面附近发现导致结合性能降低的针状组织，这是由于β-Ti稳定元素 Fe、Cr、Ni等向钛侧的扩散，导致 Ti侧β-α相变温度降低，因此冷却过程中就形成了相变不完全的针状α-Ti与β-Ti的混合区域。
2.2界面结合机理
研究表明接触表面的塑性变形对异种材料的连接起决定性作用。在轧制力的作用下，连接材料在轧制方向上发生塑性变形，产生了延展；在摩擦力的作用下，连接表面产生相对滑移，界面处的氧化层和硬化层破裂，裸露的新鲜金属从裂纹处流出并相互接触发生结合；最后经过退火，进一步促进金属相互扩散、消除残余应力，实现冶金结合。
钛/钢复合界面易生成脆性金属间化合物以及异种金属变形协调性差等特点，制约着钛/钢层合板的高性能制备。而通过添加软质中间层材料能够增加不同板之间的相对滑动。ZHAO D S等使用有限元软件MSC Marc模拟了钛合金与不锈钢真空热轧结合过程中的应变-时间关系，在不使用中间层和使用铜中间层的两种条件下，对比了钛、铜和钢截面中节点的应变随时间变化的特征。结果表明，不使用夹层的两个接触面之间的相对运动要比使用铜夹层的相对运动小得多。ZHAO D S等结合试验表征，从细观原理上解释了中间层促进界面结合性能改变的原因。图5所示为有中间层和无中间层的模型示意图。此外，大量学者通过添加软质中间层制备了力学性能优异的钛/钢层合板，并使用材料表征方法进行了测试分析。
以上研究表明，数值模拟与试验研究相结合是层合板研究的重要手段。然而在层合板轧制过程的数值模拟中，两种金属的结合判据及界面接触设置是有限元模拟中的难题和瓶颈，目前大多数研究在数值模拟中均采用了接触界面共节点或绑定约束等设置，提前假定了轧制过程中两种金属的不可分离性，而在实际轧制中，两种金属的结合是伴随着压下过程逐渐发生的。因此，两种金属的结合判据、接触算法的开发及高精度数值模拟模型的建立将成为促进钛/钢层合板技术发展的重要方向。
3.1界面结合强度评估
剪切强度是评估钛/钢层合板力学性能的一项重要指标，因而进一步进行剪切断面表征分析对制备高性能钛/钢层合板有重要指导意义。余超等发现随着压下率的增加，Q235剪切断面上粘结的钛含量增加，在70%压下率下制备的层合板剪切强度达到最大，超过245 MPa，断面呈现大量韧窝(图6)；进一步对不同温度下制备的层合板进行剪切分析，发现700 ℃下制备的层合板剪切强度低，剪切断面存在打磨痕迹；在950 ℃下制备的层合板剪切断面检测到大量金属间化合物，其是造成剪切强度降低的主要原因。此外，YANG D H等在不同温度下制备了带有Ni中间层的钛/钢层合板，其在800 ℃下剪切强度最大，达310 MPa；900 ℃时为224 MPa；而1 000 ℃时平均剪切强度大幅降低，仅为151 MPa。通过对剪切断面进行分析，发现1 000 ℃下剪切断面存在多种破坏界面强度的化合物。
钛/钢层合板轧制完成后，材料内部存在较大残余应力，使用加工过程中易在复合界面处开裂，影响材料使用寿命。因此，对热轧钛/钢层合板后续热处理进行研究有重要意义。李雪波等对添加铜中间层的钛/钢层合板在850 ℃下进行24 h退火处理，发现经过退火处理，钛/钢层合板的剪切强度由215降低为201 MPa。YU C等将压下率为68%的层合板在550、650、750和850 ℃温度下分别进行0.5和2 h的退火处理，对比了退火对有无DT4中间层的钛/钢层合板剪切强度的影响，结果如图7所示。从图7可以看出，无论是否添加中间层，经过退火处理后，剪切强度均降低，且退火时间越长、退火温度越高，剪切强度降低越严重。因此合理控制退火温度与时间是高性能钛/钢层合板制备的必要条件。
3.2拉伸性能测试
根据GB/T 8547—2006《钛-钢复合板》，钛/钢层合板抗拉强度理论下限标准
式中：t1为基材厚度；t2为复材厚度；Rm1为基材抗拉强度下限标准值；Rm2为复材抗拉强度下限标准值。
LI B X等通过对中间层为IF钢+V的钛/钢层合板进行拉伸试验，发现在850和900 ℃下,试样的抗拉极限强度几乎相同，分别为503.4和504.1 MPa，而在950 ℃时抗拉强度降低到403.1 MPa，并且伸长率提高。为了揭示950 ℃时轧制样品强度降低和拉伸伸长率提高的潜在机理，对断面进行了表征，发现界面处较厚的σ相导致拉伸过程中较早的分层裂纹萌生，从而降低抗拉强度，而伸长率提高则有可能是再结晶引起的。为进一步研究退火温度对拉伸性能的影响，LI B X等对不同温度、不同退火时间的层合板进行拉伸试验，结果如图8所示。由图8可知，在450 ℃下退火1 h后抗拉强度降低，延长退火时间后抗拉强度无明显改变；在650 ℃下退火1 h后，抗拉强度大幅降低，伸长率大幅提高。分析表明，较高的退火温度导致较低的拉伸强度是由于高温下钛和钢发生回复和再结晶所致，且退火温度越高，保持时间越长，回复和再结晶的程度就越高。YU C等通过拉伸试验发现，在没有DT4中间层的情况下，当应变为0.356时， Q235和TA2分离，导致界面失效。添加DT4中间层后，当应变为0.386时，DT4和TA2分离；而当应变为0.397时，层合板整体断裂。分析表明，添加DT4中间层可以有效减少脆性化合物的形成，因此在拉伸变形过程中减少了界面上的裂纹源。
拉伸测试在一定程度上反应了加热温度与热处理工艺的合理性。目前来看，加热温度与热处理工艺通常需要根据不同的材料与制备工艺来具体制定，并没有统一的标准。而加热温度过高形成的脆性化合物是拉伸过程裂纹萌生的主要原因，研究表明外部能场(脉冲电场、电磁场、超声能场)可以大幅提高材料成形极限，降低材料变形抗力，是实现难变形材料精确成形制造的极具前景的技术，因此考虑将外部能场引入复合板轧制领域，有望实现较低温度、较小压下率的钛/钢冶金结合，成为未来复合板发展的重大突破。
目前针对钛/钢层合板轧制法制备工艺和复合机理已有大量研究，研究结果表明钛/钢层合板制备过程中存在以下主要问题：
(1)钛和钢变形协调性差，严重制约钛/钢的复合；结合界面处脆性化合物的生成严重影响钛和钢的结合强度。从抑制高温导致的界面处脆性化合物的角度考虑，热轧温度应该相对较低，但是温度较低难以保证钛/钢的变形协调性。
(2)增大压下可提高结合强度，但是过高的压下率导致了轧机的高负载运行，增加了对设备的要求和工艺复杂性。从抑制元素扩散角度考虑，在钛和钢中间添加中间层材料，虽然在一定程度上提高了界面结合强度，但是又会生成新的化合物。
(3)目前大多数数值模拟中均采用接触界面共节点或绑定约束等设置，提前假定了轧制过程中两种金属的不可分离性，而在实际轧制中两种金属的结合是伴随压下过程逐渐发生的。
针对目前钛/钢层合板研究存在的问题，未来可以围绕以下方面展开研究：
(1)将爆炸复合法和轧制复合法的优点相结合，开发一种新型钛/钢层合板轧制工艺，形成波纹状的结合界面，使钛钢双金属在变形协调的前提下，得到结合强度更高、综合性能更优的钛/钢层合板。
(2)外部能场(脉冲电场、电磁场、超声能场)能够降低变形抗力、提高塑性变形能力，因此将外部能场引入层合板轧制领域，可有效降低轧制所需温度，减少界面化合物产生，有望获得高性能钛/钢层合板。
(3)充分利用商用有限元软件进行二次开发，建立异种金属的结合判据、接触算法，实现高精度数值模拟分析，为钛/钢复合板制备过程提供理论分析。
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