CN105018923B - 一种覆钛低碳钢复合板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用超高速喷射沉积和轧制处理的覆钛低碳钢复合板的制备方法。一种覆钛低碳钢复合板制备方法，首先利用高速喷射沉积技术将304不锈钢粉末沉积在经过前处理的低碳钢板上作为过渡层，然后将纯钛粉末高速喷射沉积于过渡层上，最后通过热轧获得涂层致密、界面为冶金结合的覆钛低碳板，产生包括低碳钢板层、过渡金属层和纯钛层的覆钛低碳钢板。本发明的制备方法可方便地实现低碳钢板表面单面或双面覆钛，且可以根据实际需求灵活调整钛覆层的厚度，能制备钛复层厚度从几十微米到几毫米，其工艺简单，钛覆层厚度可控，制备的覆钛低碳钢复合板界面为冶金结合，具有结合强度高的特征性能。

Description

一种覆钛低碳钢复合板制备方法

技术领域

本发明涉及一种覆钛低碳钢复合板的制备方法，特别涉及采用超高速喷射沉积和轧制处理的覆钛低碳钢复合板的制备方法。

背景技术

钛具有很多优良的特性，如低密度、高比强度、良好的耐热性能、优异的耐蚀性和生物相容性等，被广泛应用于航空、航天、航海、化工等领域。随着冶金技术的发展，钛在建筑、汽车、医疗及日常生活用品等领域的用量也在快速增长。但由于纯钛的强度较低，制造成本高，限制了其应用。碳钢作为最常用的结构材料，具有一些优良的性能，如力学性能、焊接性、热稳定性等，且制造成本较低，但碳钢的耐蚀性却远不如钛。将两者复合使其兼具二者优点、又互为弥补不足的覆钛低碳钢复合板极具市场潜力。

现有的钛-钢复合板制造方法主要有爆炸复合法、轧制压接法或爆炸制坯-轧制法，爆炸复合法通常在常温下进行，指利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。如中国专利CN200810226956.8、CN200810226957.2和CN200910023101.X均利用爆炸复合制钛-钢复合板。但由于爆炸复合受自身工艺限制，金属板变形较大，仅适用于厚金属板（通常复层厚度大于1.5mm）的复合。为得到薄型钛-钢复合板，中国专利CN200810226955.3采用爆炸制坯-轧制法，先利用爆炸复合法制轧制坯料，油压机矫平，再钢面两两相对叠放并将四周焊接后，加热至温度为700-1000℃，保温1-4h，经过6-10道次轧制，获得最终厚度为2.5-6mm的复合板。轧制压接法是通常是将板组装后，在真空条件下加热轧制。中国专利CN200810064689.9公开了一种钛合金板与不锈钢板的真空热轧复合方法，其主要原理是将钛合金板、不锈钢板以及铜箔过渡层铆合后，在真空度为(1～3)×10^{－ 3}Pa、温度为600～1100℃真空炉中保温后热轧获得钛合金-不锈钢复合板。轧制压接法是最先将钛板（复合材）与钢板（基材）以嵌入式的板坯组装，在钛板与钢材之间放入合适的中间嵌入材，再在高真空下采用电子束焊接。最后放入加热炉加热后，在厚板轧机上强压轧到所要求的厚度，这样钛板与钢板则真正接合了。中国专利CN200910010100.1采用热轧机直接压延复合方法获得钛/钢复合板。但是上述方法的共同特点是直接利用钛板成品与钢板复合，但受自身特点所限钛材成材率低，且难以获得更薄规格钛复层的钛-钢复合板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种覆钛低碳钢复合板制备方法，该制备方法工艺简单，且钛覆层厚度可控，制备的覆钛低碳钢复合板界面为冶金结合，具有结合强度高的特征性能。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种覆钛低碳钢复合板制备方法，首先利用高速喷射沉积技术将304不锈钢粉末沉积在经过前处理的低碳钢板上作为过渡层，然后将纯钛粉末高速喷射沉积于过渡层上，最后通过热轧获得涂层致密、界面为冶金结合的覆钛低碳板，产生包括低碳钢板层、过渡金属层和纯钛层的覆钛低碳钢板；其步骤如下：

（1）备料：选择球形304奥氏体不锈钢粉末作为过渡金属层原材料，低氧、低氢的高纯钛粉作为纯钛覆层原材料，两种粉体粒径分布范围为5-200 um，钛粉粒子形状为球形、类球形，或不规则形；

（2）基材前处理：采用喷砂法进行前处理，然后用高压气体吹扫，以除去表面氧化层，获得新鲜表面；

（3）高速喷射沉积法制备过渡层：将304奥氏体不锈钢粉送入粉末加速器加速后喷向低碳钢基板，粉末粒子因发生强烈塑性变形而沉积形成304不锈钢过渡金属层；

（4）高速喷射沉积法制备纯钛层：将纯钛粉送入粉末加速器加速后喷向已喷涂304奥氏体不锈钢过渡层的低碳钢基板上，沉积形成纯钛覆层；

（5）涂层致密化：采用压力加工方式实现涂层的致密化，将得到的低碳钢-纯钛板料置于热处理炉内加热，使其温度均匀达到800～1000℃后进行热轧，总压下量≥50%，从而实现纯钛覆层的致密化，同时达到喷涂金属粉末颗粒界面的基材-过渡层、过渡层-纯钛层的热扩散焊合。

进一步，所述步骤1中的球形304奥氏体不锈钢粉末和钛粉粉体粒径分布范围为10-50um。

进一步，所述步骤1中的高纯钛粉的制备工艺为氢化脱氢法获得的不规则钛粉，高纯钛粉的制备工艺为气体雾化法获得的球形或类球形钛粉。

进一步，所述步骤3制备过渡层的特征是涂层致密，厚度均匀、连续。

进一步，所述步骤4中沉积得到的纯钛覆层厚度应小于低碳钢基材的厚度。

进一步，所述步骤4中沉积得到的纯钛覆层为多孔材料，孔隙率可在5％～30％范围变化。

进一步，所述步骤3和4中利用高速喷射沉积技术在低碳钢基材上单面沉积复合304奥氏体不锈钢过渡层和纯钛层，或双面沉积复合304奥氏体不锈钢过渡层和纯钛层。

进一步，所述步骤5中为保证轧制温度≥800℃，对板料每进行2～3道次热轧后，将板料返炉加热至800～1000℃均温后再进行热轧。

经过热轧处理的覆钛低碳钢复合板可以直接应用，也可以再经过酸洗、退火、冷轧、平整、去应力退火等形成高等级覆钛低碳钢复合板。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

通过本发明的制备方法可方便地实现低碳钢板表面单面或双面覆钛，且可以根据实际需求灵活调整钛覆层的厚度，能制备钛复层厚度从几十微米到几毫米，通过本发明的制备方法所得到的复合板钛覆层和低碳钢板之间界面为冶金结合，复合强度高。

本发明工艺简单、可控性好、生产效率高，有助于工业化应用。

附图说明

图1为本发明的实施例一高速喷射沉积后覆钛IF钢板截面经抛光后的金相照片；

图2为本发明的实施例一轧制后钢板截面经抛光后的金相照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例中的制备方法包括以下步骤：

（1）备料：选用200mm×100mm×10mm厚度为10mm的低碳钢（IF）钢板为基板，用氢化脱氢法得到的低氧、低氢的高纯钛粉为钛覆层原料，采用气体雾化法所制球形304不锈钢粉为过渡层原料。其中纯钛粉粒径分布范围为5-100 um，平均粒径为32um，粒子形状为不规则形；304不锈钢粉粒径分布范围为10-80 um，平均粒径为32um，粒子形状为球形；

（2）基材前处理：处理方法采用先喷砂以除去表面氧化层，然后用高压气体吹扫除去喷砂残留物。

（3）高速喷射沉积法沉积过渡层：利用压力值为3MPa、预热温度750℃氮气驱动上述304不锈钢粉粒子，送粉速率为6L/h，在低碳钢基板上单面制备304不锈钢过渡层。

（4）高速喷射沉积法沉积纯钛层：利用压力值为2.8MPa、预热温度550℃氮气驱动上述钛粉粒子，钛粉送粉速率为9L/h，在喷涂304不锈钢过渡层的低碳钢基板上制备纯钛板覆层。如图1所示为按上述步骤中所制备覆钛IF钢板截面经抛光后的金相照片，纯钛覆层3厚度为1.5mm，孔隙率约为13%，IF基板1与纯钛覆层3之间的304不锈钢过渡层2厚度约为100um；304不锈钢过渡层2孔隙率约为8 %，该过渡层2涂层致密，厚度均匀、连续。

（5）涂层致密化：将得到的低碳钢-纯钛板料置于热处理炉内加热，使其温度均匀达到950℃，经3道次轧制后厚度为5.2mm，总压下量为58%。如图2为热轧后板材截面经抛光后的金相照片。轧后复合板材钛层6已经实现完全致密化，厚度约为700um；304不锈钢过渡层5厚度约为45um，304不锈钢过渡层5与钛层6间已经达到了冶金结合，界面处出现了扩散层，厚度为32um，图2中4为IF基板。

实施例二：

本实施例中的制备方法包括以下步骤：

（1）备料 选用200mm×100mm×5mm厚度为5mm的Q235钢板为基板，用氢化脱氢法得到的低氧、低氢的高纯钛粉为钛覆层原料。纯钛粉粒径分布范围为5-100 um，平均粒径为32um，粒子形状为不规则形；304不锈钢粉粒径分布范围为10-50 um，平均粒径为35um，粒子形状为球形；

（2）基材前处理：处理方法采用先喷砂以除去表面氧化层，然后用高压气体吹扫除去喷砂残留物。

（3）高速喷射沉积法沉积过渡层：利用压力值为3MPa、预热温度600℃氮气驱动上述304不锈钢粉粒子，送粉速率为3L/h，在低碳钢基板上单面制备304不锈钢过渡层，平均厚度为80um左右，孔隙率约为5%，该过渡层2涂层致密，厚度均匀、连续。

（4）高速喷射沉积法沉积纯钛层：利用压力值为2.8MPa、预热温度500℃氮气驱动上述钛粉粒子，钛粉送粉速率为6L/h，在喷涂304不锈钢过渡层的低碳钢基板上上制备纯钛板覆层，厚度为1.0 mm，孔隙率约为13%。

（5）涂层的致密化：将得到的低碳钢-纯钛板料置于热处理炉内加热，使其温度均匀达到1050℃，经3道次轧制后厚度为2.1mm，总压下量为65%。轧后复合板材钛层厚度约为400um，304不锈钢过渡层与钛层间扩散层厚度为45um，304不锈钢过渡层厚度约为35um。

以上仅对低碳钢板表面进行单面覆钛，对低碳钢板表面进行双面覆钛的过程与单面覆钛相同；对于钛覆层厚度可以根据实际需求进行灵活调整。对于步骤4中沉积得到的纯钛覆层厚度应小于低碳钢基材的厚度。对于制备高纯钛粉，采用气体雾化法能获得球形或类球形钛粉。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：首先利用高速喷射沉积技术将304不锈钢粉末沉积在经过前处理的低碳钢板上作为过渡层，然后将纯钛粉末高速喷射沉积于过渡层上，最后通过热轧获得涂层致密、界面为冶金结合的覆钛低碳钢板，产生包括低碳钢板层、过渡金属层和纯钛层的覆钛低碳钢板；其步骤如下：

（1）备料：选择球形304奥氏体不锈钢粉末作为过渡金属层原材料，低氧、低氢的高纯钛粉作为纯钛覆层原材料，两种粉体粒径分布范围为5-200 um，钛粉粒子形状为球形、类球形，或不规则形；

（2）基材前处理：采用喷砂法进行前处理，然后用高压气体吹扫，以除去表面氧化层，获得新鲜表面；

（3）高速喷射沉积法制备过渡层：将304奥氏体不锈钢粉送入粉末加速器加速后喷向低碳钢基板，粉末粒子因发生强烈塑性变形而沉积形成304不锈钢过渡金属层；

（4）高速喷射沉积法制备纯钛层：将纯钛粉送入粉末加速器加速后喷向已喷涂304奥氏体不锈钢过渡层的低碳钢基板上，沉积形成纯钛覆层；

（5）涂层致密化：采用压力加工方式实现涂层的致密化，将得到的低碳钢-纯钛板料置于热处理炉内加热，使其温度均匀达到800～1000℃后进行热轧，总压下量≥50%，从而实现纯钛覆层的致密化，同时达到喷涂金属粉末颗粒界面的基材-过渡层、过渡层-纯钛层的热扩散焊合。

2.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤1中的球形304奥氏体不锈钢粉末和钛粉粉体粒径分布范围为10-50um。

3.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤1中的高纯钛粉的制备工艺为氢化脱氢法获得的不规则钛粉，高纯钛粉的制备工艺为气体雾化法获得的球形或类球形钛粉。

4.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤3制备过渡层的特征是涂层致密，厚度均匀、连续。

5.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤4中沉积得到的纯钛覆层厚度应小于低碳钢基材的厚度。

6.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤4中沉积得到的纯钛覆层为多孔材料，孔隙率可在5％～30％范围变化。

7.根据权利要求4或6所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤3和4中利用高速喷射沉积技术在低碳钢基材上单面沉积复合304奥氏体不锈钢过渡层和纯钛层，或双面沉积复合304奥氏体不锈钢过渡层和纯钛层。

8.根据权利要求1所述的覆钛低碳钢复合板制备方法，其特征是：所述步骤5中为保证轧制温度≥800℃，对板料每进行2～3道次热轧后，将板料返炉加热至800～1000℃均温后再进行热轧。