CN110202249B - 一种超长超大面积钛钢复合板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钛钢复合板的制造方法，包括：(1)对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈；(2)以碳钢板为基层、钛板为复层装配为基复层；(3)在真空环境中使用硝铵炸药对基复层进行爆炸复合；(4)消应力热处理，随后冷却。本发明还提供了采用该方法制备得到的钛钢复合板。本发明的制造方法能够生产出超长大面积的钛钢复合板，可节约设备的制造成本；该复合板具备优良的力学性能和耐蚀性能，具有广阔的应用前景。

Description

一种超长超大面积钛钢复合板及其制造方法

技术领域

本发明涉及钛钢复合板加工领域，具体地，本发明提供了一种超长超大面积钛钢复合板及其制造方法。

背景技术

钛是一种比重小、强度高、耐腐蚀高的贵金属材料，是航天、航空、海洋、化工、电力和冶金领域的重要结构材料。由于其价格高，极大地限制了其在各领域的推广，为降低成本，钛-钢复合板应运而生。钛-钢复合板既具有钛的耐腐蚀性，又具有钢的高强度和良好的导热性，同时具有克服热应力，耐热疲劳、耐压差和耐其他载荷的能力，可以在更苛刻的条件下工作。因此钛-钢复合板在石油化工和压力容器等领域得到了广泛应用。

目前生产钛钢复合板的主要工艺有直接爆炸法、轧制法、爆炸-轧制法。轧制法生产的钛钢复合板结合强度低，质量不稳定，生产批量不大。爆炸-轧制法适合生产钛层小于2mm的钛钢复合板。直接爆炸法适合生产钛层厚度大于2mm大量应用在耐腐蚀环境的钛钢复合板。但由于钛的特点，在复合板结合层容易形成含TiC，FeTi等脆性相，尤其复合板的面积越大，长度越长，爆炸压力差异越大，进而造成端部界面熔化及大量脆性相的形成，导致复合板的剪切强度降低，从而结合层开裂。目前国内爆炸法生产钛钢复合板最大长度不超7000mm，无法生产超长大面积钛钢复合板，影响设备制造的效率及成本。

申请号为201510543693.3的中国发明专利申请公开了一种无中间层钛钢复合板的制备方法，包括：a、对钢板或钢坯的表面以及钛板的表面进行处理以去除表面污物和氧化层；b、采用对称组坯法将钢板或钢坯与钛板进行按照钢板或钢坯-钛板-钢板或钢坯的顺序进行对称组坯形成组合坯料；c、组合坯料在真空环境下通过焊接将坯料的四周焊合；d、将组合坯料加热至960～1000℃，加热120～360min；e、加热后的坯料进行热轧，控制开轧温度910℃以上，终轧温度不低于800℃，并且控制单道次变形量均在15％～20％，轧制总变形量≥90％；热轧完成后冷却至室温。但是，采用该专利申请中的方法生产钛钢复合板，虽然效率较高，但对轧机能力要求高，轧制总变形量大，一般适合总厚度小于40mm的钛板复合板，另外，该工艺生产的钛钢复合板结合面剪切强度低，加工封头等变形较大的构件时结合层容易开裂。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有方法无法生产超长大面积钛钢复合板、影响设备制造效率及成本的问题，提供了一种超长超大面积钛钢复合板的制造方法以及由该方法制备得到的钛钢复合板。

一方面，本发明提供了一种钛钢复合板的制造方法，包括：

(1)对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈；

(2)以碳钢板为基层、钛板为复层装配为基复层；

(3)在真空环境中使用硝铵炸药对基复层进行爆炸复合；

(4)消应力热处理，随后冷却。

进一步，在步骤(1)中，对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈，以使表面光洁度Ra≤2.54μm，不平度≤3mm/m。

进一步，在步骤(1)中，钛板的规格是(2～10)×(1000～4000)×(3000～9500)mm，碳钢板的规格是(8～120)×(1000～4000)×(3000～9500)mm，并且，钛板的长度和宽度分别比碳钢板的长度和宽度大20～50mm。

进一步，在步骤(2)中，基层与复层之间的间隙距离是8～16mm。

进一步，在步骤(3)中，以重量份计，硝铵炸药的组成是：硝酸铵84～85份，柴油3～3.5份，木粉3～3.5份和憎水珍珠岩8～9份；优选地，硝酸铵84份，柴油3.5份，木粉3.5份和憎水珍珠岩9份。

进一步，在步骤(3)中，真空环境是真空爆炸室，优选的，真空爆炸室的真空度≤8×10^-2MPa。

进一步，在步骤(3)中，爆炸复合的参数是：S＝(1-4)×T，G＝(0.6-1.5)×G_复；其中，S是基层与复层之间的间隙距离，G是硝铵炸药重量，T是钛板板厚，G_复是钛板单位面积重量；硝铵炸药的起爆方式是中心或边部起爆。

进一步，在步骤(4)中，消应力热处理的温度是500～600℃，保温时间是(1～2)×基复层的厚度min并且不低于1小时。

另一方面，本发明提供了一种钛钢复合板，长度不小于8000mm，面积是16～30m²。

相比于现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

本发明的制造方法能够生产出超长大面积钛钢爆炸复合板，该复合板具备优良的力学性能和耐蚀性能，可节约设备的制造成本，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1显示了本发明进行爆炸复合采用的真空爆炸室，其中，1是真空爆炸室，2是基层，3是复层，4是炸药，5是雷管。

图2显示了本发明实施例1的钛钢复合板的结合界面。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

第一方面，本发明提供了一种超长超大面积钛钢复合板的制造方法，依次包括如下步骤：

第一步，对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈，以使表面光洁度Ra≤2.54μm，不平度≤3mm/m。

在本步骤中，钛板的规格优选是(2～10)×(1000～4000)×(3000～9500)mm，碳钢板的规格优选是(8～120)×(1000～4000)×(3000～9500)mm，并且，更优选的，钛板的长度和宽度分别比碳钢板的长度和宽度大20～50mm。通过钛板比碳钢板长度和宽度大20～50mm，可以减少边部效应，爆炸时边部钛板剪切效果好，结合质量高。

在本发明中，钛板可以是符合国家标准GB/T3621-2007的任何钛板，例如，牌号为TA1、TA2、TA3、TA9、TA10。在实际生产中，本领域技术人员可以根据实际需要作出合理选择，此处不做赘述。

在本发明中，碳钢板可以是结构钢、压力容器钢、不锈钢等。在实际生产中，本领域技术人员可以根据实际需要作出合理选择，此处不做赘述。

第二步，以碳钢板为基层、钛板为复层装配为基复层。

在本步骤中，基层在下，复层在上，基层和复层之间加支点，以使基层与复层之间的高度(也即，基层与复层之间的间隙距离)是8～16mm。

第三步，在真空环境中使用硝铵炸药对基复层进行爆炸复合。

在本步骤中，使用硝铵炸药具有如下重量份组成：硝酸铵84～85份，柴油3～3.5份，木粉3～3.5份和憎水珍珠岩8～9份；优选地，硝酸铵84份，柴油3.5份，木粉3.5份和憎水珍珠岩9份。其中，木粉是指木材打成的粉末，憎水珍珠岩是由酸性火山玻璃质熔岩经破碎、熔烧而成的白色多孔松散颗粒，主要成分SiO₂、Al₂O₃、CaO，粒度90～120目。

该硝铵炸药具有如下性能：

表1

炸药名称	爆速(米/秒)	水分	爆力(ml)	殉爆距离(mm)	密度(g/cm<sup>3</sup>)
						硝胺类炸药	2000±200	＜0.3％	＞200	＞70	0.50-0.60

采用该硝铵炸药能够通过控制碰撞能量、降低冲击速度，使钛钢复合板界面呈平直状或小波形，降低波形的峰值，从而避免在爆炸焊接时产生大面积复合不良。

在本步骤中，优选在真空爆炸室中进行爆炸复合，更优选的，真空爆炸室的真空度≤8×10^-2MPa，为了提高抽真空的效率，可以使用抽气速率大于等于4000m³/小时的真空机组进行抽气。最优选的，本步骤在如图1所示的真空爆炸室中进行。

如图1所示，真空爆炸室采用双层钢板焊接成形，钢板材质选用普通结构钢，例如Q235或Q345系列即可，厚度35～45mm，钢板中间加缓冲流动性好的材料，例如粘土、颗粒小于0.5mm的砂石。外形半球(当然也可以采用其它形状，例如长方体)，容积大于600m³设有进出钢板通道(图1未示出)的可密封的爆炸室。

在本步骤中，爆炸复合的参数是：S＝(1-4)×T，G＝(0.6-1.5)×G_复，其中，S是基层与复层之间的间隙距离，G是硝铵炸药重量，T是钛板板厚，G_复是钛板单位面积重量。通过这样的爆炸复合参数的设计，并结合基层与复层之间的高度设计，能够达到如下效果：在爆炸时，可以使钛板折弯，与碳钢板产生碰撞，从而使冲击速度达到一定范围内，同时产生射流，并使射流畅通无阻。

在本步骤中，硝铵炸药的起爆方式是中心或者边部起爆。具体地，将炸药铺装在复层上，然后将雷管安装在复层的中心位置(如图1所示)或者边部，待人员撤离到规定安全地点，密闭真空爆炸室的进出入门，抽真空至需要的真空度后，起爆雷管炸药。

第四步，对钛钢复合板进行热处理以消除应力，随后冷却。

在本步骤中，消应力热处理的温度是500～600℃(优选540±10℃)，保温时间(分钟)是(1～2)×基复层的厚度并且不低于1小时。由于在真空环境中爆炸焊接，结合层氧化物比在空气中明显减少，硬化层减少，因此，只需要在较低的温度和较短的时间就能够实现消应力效果。

消应力热处理可以在罩式炉进行，加热元件可以采用电加热。

消应力热处理之后，将钛钢复合板冷却，例如采用空冷的方式。

冷却之后可以对钛钢复合板进行检验、矫直、探伤、表面处理、包装等常规操作。

第二方面，本发明提供了一种钛钢复合板，采用上面的方法制备得到。由于采用了上述方法，本发明的钛钢复合板长度不小于8000mm，面积可达到30m²，复合率达99.9％或更高，基层与复层的结合强度大于210MPa，其他各项性能指标满足NB/T47002.3《压力容器用爆炸焊接复合板第3部分钛-钢复合板》标准规定。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述各实施例中采用的硝铵炸药的组成(重量份)是硝酸铵84份，柴油3.5份，木粉3.5份和憎水珍珠岩9份。

实施例1

本实施例采用的复层材料是TA1钛板，规格是3×2040×8200mm，基层材料是Q245R碳钢板，规格是12×2000×8100mm。

本实施例的钛钢复合板的制备步骤是：

(1)对钛板与碳钢板进行表面清洁、打磨除锈至表面光洁度Ra是2.54μm，不平度是3mm/m。

(2)基层在下，复层在上，基复层间加支点，高度10mm，将基层与复层装配为基复层。

(3)将基复层输入至真空爆炸室中，检查基复板间的间隙支点，确保支点正常后开始铺装炸药，炸药量18Kg/m²。铺完炸药后安装雷管，人员撤离到规定安全地点，密闭爆炸室的进出入门。开始抽真空，真空度达到8×10-2时，持续再抽2～5分钟。上述条件具备后，起爆雷管炸药。

(4)爆炸后钛钢复合板在540℃进行热处理并保温1小时以消除应力，随后冷却、矫平、抛光处理。

对本实施例的钛钢复合板的结合层进行金相检测，具体方法是：取钛钢复合板试样，对侧面进行打磨、抛光、腐蚀处理，然后在光学显微镜下观察。如图2所示，结合界面为波状结合，且没有射流堆积、空洞、夹杂等现象。

实施例2

本实施例采用的复层材料是TA1钛板，规格是4×3340×9000mm，基层材料是Q245R碳钢板，规格是50×3300×8950mm。

本实施例的钛钢复合板的制备步骤是：

(1)对钛板与碳钢板进行表面清洁、打磨除锈至表面光洁度Ra是2.5μm，不平度是2.8mm/m。

(2)基层在下，复层在上，基复层间加支点，高度10mm，将基层与复层装配为基复层。

(3)将基复层输入至真空爆炸室中，检查基复板间的间隙支点，确保支点正常后开始铺装炸药，炸药量22Kg/m²。铺完炸药后安装雷管，人员撤离到规定安全地点，密闭爆炸室的进出入门。开始抽真空，真空度达到7×10^-2时，持续再抽2～5分钟。上述条件具备后，起爆雷管炸药。

(4)爆炸后钛钢复合板在520℃进行热处理并保温1小时以消除应力，随后冷却、矫平、抛光处理。

实施例3

本实施例采用的复层材料是TA1钛板，规格是6×1550×8200mm，基层材料是Q245R碳钢板，规格是60×1500×8000mm。

本实施例的钛钢复合板的制备步骤是：

(1)对钛板与碳钢板进行表面清洁、打磨除锈至表面光洁度Ra是2.54μm，不平度是3mm/m。

(2)基层在下，复层在上，基复层间加支点，高度12mm，将基层与复层装配为基复层。

(3)将基复层输入至真空爆炸室中，检查基复板间的间隙支点，确保支点正常后开始铺装炸药，炸药量24Kg/m²。铺完炸药后安装雷管，人员撤离到规定安全地点，密闭爆炸室的进出入门。开始抽真空，真空度达到8×10^-2时，持续再抽2～5分钟。上述条件具备后，起爆雷管炸药。

(4)爆炸后钛钢复合板在540℃进行热处理并保温1小时以消除应力，随后冷却、矫平、抛光处理。

按照NB/T47002.3《压力容器用爆炸焊接复合板第3部分钛-钢复合板》标准的规定对实施例1至3的屈服强度、抗拉强度、伸长率、剪切强度进行检测，结果如表2所示

表2

	规格mm	屈服强度MPa	抗拉强度MPa	伸长率％	剪切强度MPa
						实施例1	3+12	360	489	29	290
实施例2	4+50	335	450	28	320
						实施例3	6+60	320	445	27	315

本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种钛钢复合板的制造方法，其特征在于，包括：

（1）对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈；

（2）以碳钢板为基层、钛板为复层装配为基复层；

（3）在真空环境中使用硝铵炸药对基复层进行爆炸复合；

（4）消应力热处理，随后冷却；

其中，在步骤（3）中，以重量份计，硝铵炸药的组成是：硝酸铵84~85份，柴油3~3.5份，木粉3~3.5份和憎水珍珠岩8~9份；

其中，在步骤（3）中，爆炸复合的参数是：S=(1-4)×T，G=(0.6-1.5)×G_复；其中，S是基层与复层之间的间隙距离，G是硝铵炸药重量，T是钛板板厚，G_复是钛板单位面积重量；硝铵炸药的起爆方式是中心或边部起爆；

其中，在步骤（4）中，消应力热处理的温度是500~600℃，保温时间是(1~2)×基复层的厚度，所述保温时间的单位是分钟，所述基复层的厚度的单位是毫米，并且所述保温时间不低于1小时。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（1）中，对钛板与碳钢板进行表面清洁、除锈，以使表面光洁度Ra≤2.54μm，不平度≤3mm/m。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（1）中，钛板的规格是(2~10)×(1000~4000)×(3000~9500) mm，碳钢板的规格是(8~120)×(1000~4000)×(3000~9500)mm，并且，钛板的长度和宽度分别比碳钢板的长度和宽度大20~50mm。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（2）中，基层与复层之间的间隙距离是8~16mm。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（3）中，以重量份计，硝铵炸药的组成是：硝酸铵84份，柴油3.5份，木粉3.5份和憎水珍珠岩9份。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤（3）中，真空环境是真空爆炸室。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤（3）中，真空爆炸室的真空度≤8×10^-2MPa。

8.一种钛钢复合板，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的制造方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的钛钢复合板，其特征在于，所述钛钢复合板长度不小于8000mm，面积是16~30m²。

Images