CN109693430A - 一种薄复层双面钛钢复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄复层双面钛钢复合板及其制备方法。制造复合板的复合坯包括钛复材和基材，基材为C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；钛复材为工业纯钛TA2，基材与钛复材厚度比为10～30，将密封焊接处理后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为880～900℃，终轧温度为800℃以上，空冷至室温，单道次压下率≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％；生产的钛钢复合板的厚度为3～32mm，钛复层厚度为0.2～1mm。适用于对内外表面均提出耐腐蚀性能要求且兼顾整体力学性能的结构制备。

Description

一种薄复层双面钛钢复合板及其制备方法

技术领域

本发明属于复合板制备技术领域，特别涉及到一种应用真空复合+轧制技术生产薄复层双面钛钢复合板的方法。

背景技术

钛钢复合板既具有钛复层优良的耐腐蚀性能，又具有基层结构钢的强度和塑性，与钛板相比其经济成本大幅度下降，是耐腐蚀环境设备制造的理想材料，在石油化工、制盐、电力、海水淡化、海洋工程等领域得到推广应用。

近年来，众多学者针对轧制法制备钛钢复合板技术进行了研究。CN105080997A公开了一种无中间层钛钢复合板的制备方法、CN104624644A公开了钛钢复合板的生产方法、CN105107841A公开了钛钢复合板的制备方法，上述三个专利文件中均采用钛钢直接复合轧制技术进行钛钢复合板的制备，制备工艺简单，不添加中间层，通过较高的终轧温度，使界面化合物破碎后产生微孔洞的可能性减小，从而使界面上的孔洞对结合性能的负面影响降低到最小。但是，由于工艺本身限制，为了控制界面反应和结合质量，以上工艺选用基材的碳含量相对较低，钛钢复合板整体力学性能不高。同时，以上工艺制备均为单面钛钢复合板，双面钛钢复合板研发工作并未开展。

目前，在石油化工、制盐、电力、海水淡化、海洋工程等腐蚀环境条件下，往往结构件内外表面均处于腐蚀环境当中，需同时具备抗腐蚀性能。现有技术制备的单面钛钢复合板已经无法满足双腐蚀环境条件下结构材料的需要。另外，随着工业技术的发展，各行业对结构的力学性能也提出了更高的要求。因此，面对实际应用环境对抗腐蚀材料的需求，迫切需要开发一种高性能、低成本，并适合工业大生产的双面钛钢复合板制备方法。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高性能的薄复层双面钛钢复合板的制备方法，采用大厚度比例组坯+大压下轧制技术，无需添加其他金属过渡层，实现钛、钢之间的良好复合，控制了复合界面不同元素的反应程度和生成化合物的分布状态，提高钛钢直接复合界面的复合性能，基层和复层的组织和性能稳定，复合界面力学性能优异，其剪切强度均达到250MPa以上，界面结合率为100％。

具体方案如下：

一种薄复层双面钛钢复合板，复合板自上而下由钛复层、基层和钛复层构成，钛复层材质为工业纯钛TA2，基层为C≤0.22％(按质量百分比计)的普碳钢或低合金钢，板幅可达3m，厚度为3～32mm，其中钛复层厚度为0.2～1mm。

本发明还包含一种薄复层双面钛钢复合板的制备方法，复合板由复合坯轧制而成，生产工艺包括表面处理、复合坯组坯、真空焊接、轧制、分板，表面修磨，

(1)选取基材和钛复材作为复合坯用原料，采用包覆组坯方式，复合坯的上下两层均为盖板，组坯按照由上至下依次为盖板、钛复材、基材、钛复材、盖板的顺序居中叠放，盖板与基材之间的间隙用与基材相同材质的长方形夹条进行完全填充，形成复合坯；在钛复材与盖板之间进行隔离剂涂敷，涂敷厚度为1～2mm，静置干燥。

所述基材、盖板和夹条均为按质量百分比计C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；其中，基材长度为2～4m，宽度1～3m，厚度为20～150mm；盖板长度和宽度与基材相同，厚度为1.5～2倍复材厚度；钛复材为工业纯钛TA2，长度为1.8～3.88m，宽度为0.8～2.88m，厚度为2～5mm；盖板和钛复材为板材，基材为连铸坯、中间坯或板材，基材与钛复材厚度比为10～30，钛复材长、宽小于基材且在组成复合坯时，与基材四条边的边距为60～100mm；

组坯前，分别采用铣削和磨削的机加工方式对基材和钛复材进行表面处理，去除待复合面的锈层和氧化层，对盖板、加工后的基材和钛复材表面进行去油污和吹扫处理；

(2)将复合坯送入真空室抽取真空后对其四周缝隙进行真空电子束密封焊接，使复材处于真空密闭环境，真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa，真空电子束密封焊接的有效熔深为30～40mm。

(3)将密封焊接处理后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为880～900℃，终轧温度为800℃以上，空冷至室温，单道次压下率为≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％。

(4)将轧制后得到的复合板进行切边、分板、表面修磨后得到双面钛钢复合板，板幅可达3米，厚度为3～32mm，其中钛复层厚度为0.2～1mm。

基材和钛复材由于材质不同，在轧制复合过程中彼此间的应力应变不一致，冷却过程中会形成较大的应力集中和形变，降低复合界面的结合率和结合质量，甚至完全撕裂。本发明采用基材与钛复材厚度比为10～30，钛复材与基材边距为60～100mm，一方面通过限定复材所占的厚度比例，降低基材和复材之间的应力差，控制界面反应程度；另一方面通过加大四周封边焊接的有效熔深以及同质间的轧制结合力达到控制其形变的作用。

在组坯之前对坯料待复合表面进行修磨处理，去除锈层和氧化物层，使其在轧制的过程中均以新鲜金属相互接触，保证两者之间形成冶金结合，提高结合质量，避免夹杂、气孔和未结合等缺陷。

隔离剂在1250℃以下时，不与基材和钛复材发生反应且保证隔离效果。为了防止钛复材和盖板发生轧制结合，本发明在其间进行了隔离剂涂敷，涂敷厚度在1～2mm，一方面可以防止钛复材和盖板的直接接触，另一方面控制钛复材和盖板之间的间隙，防止间隙过大引起钛板串动。

对钛复材采用盖板进行包覆组坯，不仅起到了真空密封钛复材的效果，还提高了复合坯的整体厚度和终轧厚度，提高了板形控制效果。其中，钛在高于400℃时会分别与氧、氮、氢发生反应，且复合界面也会产生剧烈氧化，本发明采用包覆组坯方式，将钛复材置于基材上下表面焊接真空密封，防止了钛复材和待复合表面与大气发生反应。另外，由于在轧制较薄规格板材时板形不易控制，易发生翘曲、波浪等缺陷，本发明采用加装盖板并通过其厚度的调节，提高并控制其轧制厚度，有效的控制了薄板的板形问题。

为了保证复合坯的封边效果，本发明采用真空电子束焊机进行了封边焊接，焊接有效熔深达到30～40mm，一方面可以保证复合界面的真空度，另一方面可以保证复合坯在轧制过程中不开裂。

真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa。其中，在真空环境下对复合坯进行真空电子束封装焊接，可最大限度的降低结合面之间的气体含量，避免在轧制后出现气体残留，造成结合率不合格。同时，结合面之间气体含量的降低还有助于防止其对结合面表面的二次氧化，有助于结合性能的提高。

由于钛复材在高于920℃时会发生β相转变，C的扩散速率极具增加，严重降低复合性能，因此本发明采用900～920℃加热温度和880～900℃的开轧温度，控制其相转变。另外，控制终轧温度在800℃以上，可以进一步降低复合坯的高温停留时间，控制界面反应物的生成。

为了提高钛复材、钢基材之间的复合性能，降低钛铁、钛碳化合物的不均匀生成对复合性能的影响，本发明采用单道次压下率≥15％、头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％的轧制制度，一方面保证可以保证钛复材、钢基材之间在高温高压条件下，形成原子间结合，达到轧制复合的目的。另一方面，若复合界面间存在或生成块状、颗粒状杂质或脆性相，也可以在大压力和延展力的作用下发生破碎，使复合界面生成的钛铁、钛碳化合物破碎、细化，弥散分布在复合界面，改善化合物的分布状态，进一步保证复合质量和性能稳定性。

钛、铁、碳在轧制过程中会持续发生反应且与温度高低成正比，在钛钢复合轧制中其反应程度越大则复合性能越低。因此，本发明在控制单道次压下率和总压下率的同时，限定钛钢复合板总厚度3～32mm，控制复合板的冷却速度和界面反应程度，达到优化钛钢复合性能的作用。

有益效果：

按上述方案生产的复合板具有以下有益效果：

(1)本发明制备的薄复层双面钛钢复合板表层均为TA2工业纯钛，具备极高的抗腐蚀性能，腐蚀环境适应性极高；心部为C≤0.22％(按质量百分比计)的普碳钢或低合金钢，具有较高的结构强度，复合板抗拉强度可达475MPa以上，且屈服强度可达365MPa以上，达到了Q345级别碳钢的国家标准要求。生产的钛钢复合板的厚度为3～32mm，钛复层厚度为0.2～1mm。适用于氯碱、纯碱、石油化工、制盐、海水淡化用管道和海洋石油钻探、管件等对内外表面均提出耐腐蚀性能要求且兼顾整体力学性能的结构制备。

(2)本发明的组坯和轧制工艺轧制效果好，可保证TA2和碳钢之间形成冶金结合，轧制板形好，无需矫直，成材率可达85％以上。

(3)本发明制备的双面钛钢复合板，板幅大，可达3m，厚度为3～32mm，且基层和复层的组织和性能稳定，复合面结合率为100％。

(4)无需添加过渡金属即可实现钛、钢之间的良好结合，复合界面力学性能优异，其剪切强度均达到241MPa以上，其中，钛复层厚度为0.2～1mm。

附图说明

图1双面钛钢复合板示意图，复合板从上至下依次为钛复层、基层、钛复层。图2为TA2/Q345B/TA2双面钛钢复合板复合界面微观组织，其中(a)为上复合界面微观组织；(b)为下复合界面微观组织；图2中复合界面连续、平滑，无气孔、夹杂微裂纹和未结合缺陷，且无大块TiC脆性相存在。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为本发明实施例基材的实际材质及原料规格；表2为本发明实施例钛复材的实际材质及原料规格；表3为实施例钛复材盖板实际材质及原料规格；表4为本发明实施例复合坯的相关信息；表5为实施例轧制前工艺参数及板厚信息；表6为本实施例的轧制制度；表7为本发明实施例复合板实物的性能检验结果。

表1 实施例基材坯料的实际材质及原料规格

实施例	钢种	C/wt％	来源	长度/m	宽度/m	厚度/mm
							1	Q345B	0.22	连铸坯	4	3	150
2	Q345E	0.18	板材	3.6	2.8	80
							3	Q345D	0.16	中间坯	3.6	2.8	100
4	S355JR	0.15	板材	4	3	30

表2 实施例钛复材的实际材质及原料规格

实施例	钢种	来源	长度/m	宽度/m	厚度/mm
						1	TA2	板材	3.82	2.82	5
2	TA2	板材	3.46	2.66	4
						3	TA2	板材	3.46	2.66	5
4	TA2	板材	3.8	2.8	3

表3 实施例钛复材盖板实际材质及原料规格

实施例	钢种	C/wt％	来源	长度/m	宽度/m	厚度/mm
							1	Q345B	0.22	板材	4	3	9
2	Q345E	0.18	板材	3.6	2.8	6
							3	Q345D	0.16	板材	3.6	2.8	7.5
4	S355JR	0.15	板材	4	3	5

表4 实施例复合坯相关信息

表5 实施例轧制前工艺参数及板厚信息

表6 本实施例轧制制度

表7 实施例实物力学性能检验结果

注：其中表中剪切强度数值为试样失效时拉力转化剪切面强度，钛钢复合板的剪切性能严格按照国家标准执行，但试样均在钛层母材发生断裂，可以说明复合界面的剪切强度大于该试验检验强度。

由实施例可见，根据本发明的薄复层双面钛钢复合板的制备方法，生产的双面钛钢复合板，抗拉强度为479～488MPa，屈服强度为368～374MPa，伸长率≥27.2％，上下复合面抗剪切强度≥241MPa，弯曲检验合格，超声波检验100％合格。在无过渡金属添加的条件下实现了钛和较高碳含量碳钢之间的良好结合，相关力学性能均满足国家钛钢复合板R1级标准。

Claims (4)

1.一种薄复层双面钛钢复合板，其特征在于：复合板自上而下由钛复层、基层和钛复层构成，钛复层材质为工业纯钛TA2，基层为按质量百分比计C≤0.22％的普碳钢或低合金钢，成品复合板板宽≤3m，厚度为3～32mm，其中钛复层厚度为0.2～1mm。

2.一种薄复层双面钛钢复合板的制备方法，复合板由复合坯轧制而成，生产工艺包括表面处理、复合坯组坯、真空焊接、轧制、分板、表面修磨，其特征在于：

(1)选取基材和钛复材作为复合坯用原料，采用包覆组坯方式，复合坯的上下两层均为盖板，组坯按照由上至下依次为盖板、钛复材、基材、钛复材、盖板的顺序居中叠放，盖板与基材之间的间隙用长方形夹条进行完全填充，形成复合坯；

所述基材、盖板和夹条均为按质量百分比计C≤0.22％的普碳钢或低合金钢；其中，基材长度为2～4m，宽度1～3m，厚度为20～150mm；盖板长度和宽度与基材相同，厚度为1.5～2倍复材厚度；钛复材为工业纯钛TA2，长度为1.8～3.88m，宽度为0.8～2.88m，厚度为2～5mm；盖板和钛复材为板材，基材为连铸坯、中间坯或板材，基材与钛复材厚度比为10～30，钛复材长、宽小于基材且在组成复合坯时，与基材四条边的边距为60～100mm；

组坯前，对基材和钛复材待复合表面进行机加工处理，对盖板、加工后的基材和钛复材表面进行去油污和吹扫处理；钛复材与盖板之间进行隔离剂涂敷，静置干燥；

(2)将复合坯送入真空室抽取真空后进行真空电子束密封焊接，使复材处于真空密闭环境，真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa，真空电子束密封焊接的有效熔深为30～40mm；

(3)将密封焊接处理后的复合坯加热至900～920℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算，开轧温度为880～900℃，终轧温度为800℃以上，空冷至室温，单道次压下率为≥15％，且头三道次压下率≥20％，总压下率≥80％。

(4)将轧制后得到的复合板进行切边、分板、表面修磨后得到双面钛钢复合板。

3.如权利要求2所述的一种薄复层钛钢复合板的制备方法，其特征在于：所述隔离剂的喷涂厚度为1～2mm。

4.如权利要求2或3所述的一种薄复层钛钢复合板的制备方法，其特征在于：所述表面机加工方式为铣削+磨削。