钛钢复合板加工技术及其在船海工程中的应用

胡 杰，谢 荣，杜训柏

(江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程学院，江苏 南京 211170)

钛钢复合板加工技术及其在船海工程中的应用

胡 杰，谢 荣，杜训柏

(江苏海事职业技术学院 船舶与海洋工程学院，江苏 南京 211170)

介绍了钛钢复合板的主要加工技术，包括爆炸复合法、轧制复合法、爆炸+轧制复合法和扩散复合法，总结了各种加工技术的研究现状及优缺点，讨论了采用轧制复合法生产钛钢复合板的关键工艺，认为由于节约成本、对环境友好等优点，轧制复合法将成为主流的钛钢复合板加工方式，并阐明了钛钢复合板在船舶及海洋工程中的应用及发展前景。

钛钢复合板；加工技术；轧制复合；船海工程

0 引言

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐海水腐蚀等优点，是船舶及海洋工程的理想材料，被誉为“海洋金属”，但缺点是成本较高。钛钢复合板是一种以钢为基体、单面或双面包覆钛的高效节能复合材料，它能够充分发挥2种材料的优势，既具有钛的耐蚀性，又具有钢材作为结构件的强度和塑性，延长了材料的使用寿命，同时又降低了成本。另外，钛钢复合板是一种环保型材料。在海水及腐蚀性溶液或气体中，由于表面形成稳定的氧化膜，所以钛及钛合金不会因腐蚀或侵蚀而导致金属离子泄露带来环境问题。本文介绍了钛钢复合板的加工技术，分析了轧制复合钛钢多合板的关健工艺,并展望了该复合板在船舶与海洋工程中的应用及发展前景。

1 钛钢复合板加工技术

目前，钛钢复合板加工技术主要有：爆炸复合法、轧制复合法、爆炸+轧制复合法和扩散复合法[1]。

1.1 爆炸复合法

爆炸复合法又称为爆炸焊接，在该技术中，炸药爆炸瞬间产生巨大能量，产生的冲击和摩擦使金属表面的氧化膜破碎并清除，露出新鲜的金属表面，爆炸产生的高压脉冲使2种金属高速撞击产生塑性变形、熔化而焊接在一起。

韩丽青等[3]采用爆炸复合法加工了TA2/316L复合板，复合板剪切强度值为215 MPa，远远高出了ASTM A-264中的最小值140 MPa。翟伟国等[4]运用爆炸复合法制备了TA2/Q345复合板，复合板的抗拉强度为483 MPa，剪切强度为223 MPa，满足实际工程需要；结合界面呈波状结合，且未发现脆硬的金属间化合物生成。张越举等[5]对钛钢复合板爆炸复合的动态参数进行了研究，指出获得高强度结合和规则界面钛钢复合板的条件是动态碰撞角大于17°，动态碰撞速度大于760 m/s。韩小敏等[6]对TA10钛合金和Q345R钢进行了爆炸复合，复合板的结合界面为波状结合，界面局部区域存在少量的Ti-Fe金属间化合物，但并未对其性能产生较大的不利影响。

爆炸复合法工艺及设备简便，能源丰富，成本低廉,适用范围广，几乎可以实现任意金属的连接。此外,用这种方法制成的复合板具有较高的结合强度，还具有优良的再加工性能。爆炸复合法也存在一些问题和缺点，如爆炸复合加工机械化程度低、劳动条件差。此种方法加工的复合板存在界面结合强度不均匀等缺陷，且爆炸时产生的噪音、振动和污染对周围环境造成破坏。

1.2 轧制复合法

热轧复合法是将复材和基材重叠组装成待轧板坯，并将板坯四周焊接，然后进行轧制，使复材与基材结合在一起。真空热轧是在真空中进行的，复层与基层材料在压力和温度下发生塑性变形，破除表面氧化膜，并形成连接的方法，在真空中进行轧制，可以阻止金属结合表面生成有害的氧化物和氮化物。保护气氛轧制复合技术，又称CA复合技术，是从加热到复合轧制的整个过程，对金属带进行严密的气氛保护，从而杜绝复合界面氧化层的产生。

Saboktakin等[7]采用铜作为中间层，在850 ℃温度下用热轧的方法生产了结合强度良好的钛钢复合板。王光磊等[8]利用热模拟试验研究了加热温度对热轧复合TA2纯钛/304L不锈钢板结合性能的影响，指出加热温度为850 ℃时，钛钢复合板热模拟试样可达到最佳的结合性能，界面剪切强度达到215 MPa。

轧制复合法生产的钛钢复合板具有制品表面质量好，尺寸自由度大，尺寸精度高，生产率和成品率高，环境污染小。该方法非常适合加工薄覆层、大面积的复合板，符合钛钢复合板的发展趋势。但也存在需进一步改善和研究的方面，如界面状况、结合强度、轧制后的热处理工艺、中间层材料等。

1.3 爆炸+轧制复合法

爆炸+轧制复合法就是先利用爆炸复合法制成厚的复合板坯，再按照不同的条件和要求，将复合板坯热轧或冷轧成所需要尺寸复合板的方法。随着我国经济及制造业的快速发展，钛钢复合板的应用朝着大面积、薄覆层方向发展。若采用爆炸复合法生产覆层厚度小于2 mm、板宽大于2 m、长度大于6 m的钛钢复合板，由于受工艺技术限制，成品率低，没有市场竞争力。而采用爆炸+轧制复合或轧制复合的方法可以满足这一要求，拓宽复合板的应用领域。

王敬忠等[9]采用爆炸+轧制法制备了以工业纯铁为夹层材料的钛钢复合板，指出在550～650 ℃退火会使复合板的结合强度略微升高。江海涛等[10]研究了热处理工艺对爆炸+轧制复合板的影响，指出850 ℃及以下温度热处理时，扩散反应层形成的TiC使剪切强度缓慢下降。850 ℃以上热处理时，扩散反应层形成的大量Ti-Fe金属间化合物及少量TiC使剪切强度明显下降。

爆炸+轧制复合法综合了爆炸法及轧制法的优点，采用此方法制成的钛钢复合板界面结合强度介于爆炸法和轧制法之间，且适用于生产大面积、薄复层的钛钢复合板，但仍然不能避免爆炸复合法环境污染等缺点。

1.4 扩散复合法

扩散复合法是通过把2种材料加热到一定温度以后再加压，靠原子扩散使其结合的方法。但是，扩散过程非常耗时，所以通过此种方法只能加工小尺寸、结合强度较低的产品。扩散复合法不适合钛钢复合板的工业化大批量生产。

由于大能力轧机的投产运营，爆炸复合法和扩散复合法这2种方法呈现出被淘汰的趋势。爆炸+轧制复合法和轧制复合法能生产大尺寸的钛钢复合板，但爆炸+轧制复合法工序复杂，影响因素多，且成材率相对低、能量消耗大，污染环境，有被轧制复合法取代的趋势。随着轧机能力以及对产品要求的不断提高，采用轧制复合法制备钛钢复合板必将成为主流趋势。

2 轧制复合钛钢复合板关键工艺

尽管轧制复合法制备钛钢复合板有很多优点，但是该项技术仍存在许多关键问题。轧制复合法包括基板和复板及中间层的准备、隔离材料的选择、表面处理、组料方式、加热、轧制、热处理、矫平处理等多个工序[11]。以下列举了一些轧制复合法制备钛钢复合板需注意的关键问题。

2.1 板坯组装及真空密封处理

板坯组装工序是轧制复合钛钢板工艺中的关键工序。厚度小于50 mm的钛钢复合板，由于基层钢材和复层钛合金的变形抗力不同，所以轧制时复合板会产生弯曲。为了解决这个问题，通常采用对称轧制法进行轧制，板坯组装如图1所示[11]。将2组材料组合对称叠放在一起，中间以隔离剂进行隔离，四周用档条进行密封焊接，然后进行轧制。这种组料方式可以避免因2种金属变形不协调而产生的复合板翘曲，从而可以提高效率和复合板的质量。

图1 轧制钛钢复合板板坯组装示意图

由于轧制金属表面易和氧、氮等生成化合物， 在轧制时会对复合板的质量产生影响，因此，在轧制之前，把组装的板坯抽成真空， 并且在钛与钢接触面放置中间夹层金属，以防止钛和钢接触面化合物的生成，使两者界面能顺利地贴合。

2.2 中间层和隔离材料的选择

钛钢复合板界面易生成TiC和Ti-Fe等脆性金属间化合物，在钛的转变温度以下，主要是钢中的碳元素向钛侧扩散，生成TiC；在钛的相转变温度以上，碳元素在钢中的溶解量增加，这时主要是钛与铁互相扩散，生成FeTi、Fe2Ti等脆性相，使钛钢复合板的结合强度、剪切强度等性能恶化，影响钛钢复合板的质量。因此，在钛与钢界面之间需放置1种材料作为中间层，阻止钛的扩散及钛和铁的互相扩散。常用的中间层材料有镍、铌、铜、银等[12]，但是这些材料比较贵重。为了节约成本，也可采用含碳量极低的工业纯铁、不锈钢等作为中间层[13]。

在对称轧制过程中，为了防止上下复板之间粘合和表面起皱，通常需要在复板的背靠面上涂刷隔离材料。常用的隔离剂有滑石粉、Al2O3、SiO2等[11]。隔离剂的选择和涂刷厚度对复合板的表面质量有很大影响。若隔离剂涂刷得太薄，复板之间由于轧制受力和热作用容易粘结在一起，不易分离；若隔离剂涂刷太厚，则会导致复板表面产生皱纹，影响外观质量。

2.3 低速高变形轧制工艺

选择低速高变形的轧制工艺是轧制复合法的关键工艺之一。大的压下量可以使金属产生足够的塑性变形，消除结合界面空隙，从而改善结合强度。日本NKK公司采用低速高形变轧制工艺生产的钛钢复合板剪切强度达到了185 MPa，高于日本工业标准(JIS)规定的 140 MPa，而采用常规轧制工艺生产的钛钢复合板剪切强度均低于日本工业标准规定的最低值(140 MPa)。Jiang等[14]通过优化对称轧制工艺，采用大压下量制备的钛钢复合板，剪切强度达到了303 MPa。

3 钛钢复合板在船舶与海洋工程中的应用

3.1 船舶工程领域

目前，钛及钛合金已成功用于我国各类潜艇、水面艇、民用船、深潜器等。钛合金在舰船上主要用来制造耐压壳体、热交换器、冷凝器、核反应堆外壳以及配套管道系统。俄罗斯建造了一系列钛壳体核动力潜艇(如Alfa级、Sierra级、Mike级核潜艇等)。美国在LPD17两栖船坞运输舰的上层建筑区及CVN航母甲板上大量使用了钛。日本研制开发了“Titan lady”号全钛游艇、“Aki Ma Ru”号全钛捕鱼船等民用船只，具备质量轻、速度快、不需要表面涂层、附着物容易清理等一系列优点。我国采用钛合金建造的 “蛟龙号”深海载人潜水器，创造了下潜7 062 m的中国载人深潜纪录。与国外相比，我国舰船用钛起步晚，规模小，钛合金生产制造成本高，应用十分有限。另外，舰船装备用钛尚未建立完整的体系，很大程度上限制了其使用范围。由于发展船舶及海洋工程材料的重要性和迫切性，钛钢复合板在船舶工程领域有很大的发展潜力，我国需进一步加快舰船用钛钢复合材料的研发应用步伐，以提升我国舰船的发展水平。此外，钛钢复合板还广泛应用于各类船舶热交换器和以海水为冷却介质的滨海电站凝汽器等。

3.2 海洋工程领域

钛钢复合板在海洋土木领域作为钢构造物的防蚀材也开始使用。日本大力开发钛钢复合板技术，采用连续热轧制造的钛钢复合薄板作为海洋钢构造物的衬里，应用于海洋领域。日本还成立了超大型浮式海洋构筑物技术研究小组，对耐用100 a的超大型浮式海洋构筑物进行研究试验，其中钛材成为首选材料。海洋建筑物的易腐蚀部分采用钛钢复合板作为防蚀材料，或用钛薄板包覆易腐蚀部位。随着钛钢复合板制造技术的不断改进，目前开发的钛钢复合板制造成本可以与不锈钢成本相竞争。日本位于横须贺的超大型浮式海洋构筑物中, 钛钢复合板材应用于海水飞沫冲刷处，有很好的耐蚀作用。

钛钢复合板也应用于其他大型浮式海洋构筑物，如海上机场、发电厂、港湾物流基地、海上紧急避难所、海上娱乐设施、原油和天然气贮存基地等。

3.3 海水淡化领域

地球上淡水资源不足，并且水资源分布不均。目前，世界上有许多严重缺水国家，如埃及、新加坡、阿联酋等，此外，还有100多个国家有不同程度的缺水。中国也是世界上的贫水国之一，且水资源分布不均。再过几十年，淡水资源会越来越匮乏，全球整个淡水资源不容乐观。所以，未来几十年国际海水淡化市场将有无比巨大的商机。由于优异的耐海水腐蚀性能和抗冲刷性能以及无毒等优点，因而钛是海水淡化领域设备的理想材料，这必将掀起钛钢复合板的应用高潮。

4 结语

经过几十年的发展，钛钢复合板的各种生产技术已日趋成熟。由于热轧复合法是一种效率高、节约成本且对环境友好的生产技术，目前大多数钛钢复合板的生产都采用热轧复合法进行加工，许多围绕钛钢复合板的科学研究和试验也在不断开展。海洋工程先进材料是实现海洋战略的物质基础之一，钛钢复合板是船舶及海洋工程装备建造的理想金属材料，在船舶及海洋工程领域中有着十分广阔的应用和发展前景，从而为推进海洋强军、海洋强国的战略目标作贡献。

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2016-10-08

胡杰(1981—)，男，讲师，硕士，研究方向为船舶与海洋工程制造。

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