CN110788136A

CN110788136A - 一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法

Info

Publication number: CN110788136A
Application number: CN201910958053.7A
Authority: CN
Inventors: 任忠凯; 马晓宝; 郭雄伟; 范婉婉; 王涛; 韩建超; 刘元铭
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-02-14

Abstract

本发明提供一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，包括以下步骤：S1、准备钛板、钢板以及中间层材料：将钛板、钢板以及中间层材料的待复合表面进行处理并清洗干净；S2、将所述钛板和钢板进行真空组坯；S3、将加热装置加热到指定温度后放入坯料进行一定时间的真空保温处理；S4、提前设定好轧机辊缝和轧制速度，取出热处理完成的坯料放置到连接有脉冲电源装置的轧机入口处，利用绝缘推板将坯料推入轧机，根据一定的压下量和轧制速度进行轧制得到钛钢复合板。本发明的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法利用脉冲电流的电致塑性效应和尖端效应，使钛、钢两种材料在较小压下量下实现冶金结合，获得板形好、结合强度高的钛钢复合板。

Description

一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法

技术领域

本发明涉及金属复合板制备技术领域，特别是涉及一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法。

背景技术

钛金属质轻、强度高、耐腐蚀，特别是能耐海水和海洋大气腐蚀，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，但钛金属价格昂贵，加工成本高。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优异性能，同时又可以降低材料成本，逐渐成为单一钛材的替代品，其广泛应用于石油、化工、电力尤其是海洋工程等领域。

目前制备钛钢固相复合的工艺主要有：爆炸复合法、扩散复合法、爆炸+轧制复合法以及直接轧制复合法。前两种工艺生产的复合板尺寸较小，不适合薄规格复合板的生产，难以满足用户要求，后两种方法虽然能够生产大尺寸的复合板，但其中的爆炸+轧制复合法的工艺复杂、能量消耗大、成材率相对低，而热轧复合法具有较高的生产效率，同时又具有低污染、低能耗、可生产大面积复合板的优点，是未来生产复合板的发展趋势。

传统的热轧钛钢复合板的工艺采用普通平辊热轧，轧制温度高，界面处极易生成脆性化合物导致结合强度低，单道次压下率大，对轧机能力要求高，异种金属间变形协调性差，复合板翘曲严重，残余应力大。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，以解决上述现有技术存在的问题，获得板形好、结合强度高的钛钢复合板。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，包括如下步骤：

S1、准备钛板、钢板以及中间层材料：将钛板、钢板以及中间层材料的待复合表面进行表面处理并清洗干净，钢板作为基材，钛板作为覆材；

S2、坯料制备：将所述钛板、钢板以及中间层材料进行组坯；

S3、加热：指定加热温度，将加热装置加热到所指定的加热温度后放入制备好的坯料将坯料进行保温；

S4、轧制：提前设定好轧机辊缝和轧制速度，取出热处理完成的坯料将其放置到连接有脉冲电源装置的轧机入口处，利用绝缘推板将坯料立即推入轧机，进行轧制得到钛钢复合板。

优选地，步骤S1中将钛板、钢板以及中间层材料用砂纸去除待复合面的氧化物，并用酒精或丙酮擦试干净；所述钛板选自TA1、TA2、TC4、TC6、TC10其中的一种；所述钢板选自Q235、Q345、302、304、304L、316和45钢其中的一种；所述的中间层材料为纯铜、纯铁、纯镍和纯铌其中的一种。

优选地，步骤S2中所述的组坯方式为真空组坯。

优选地，步骤S3中所述的加热方式为真空加热。

优选地，步骤S4中所述脉冲电流大小0～600A，频率0～2000Hz，占空比0～100％轧制压下率大于等于15％，轧制速度为35～40r/min。

本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，利用脉冲电源在短时间内高频率输出极高的电流，瞬时产生极高的能量，同时在网状结构中间层金属材料的作用下，由于在网状结构附近存在大量微小间隙，间隙越尖，曲率越大，面电荷密度越高，其附近场强越强，便会产生尖端效应，从而有效促进复合界面元素扩散，使钛和钢能够在较小压下量和较低轧制温度下实现高强度复合，从而抑制了界面处脆性化合物的生成。同时脉冲电流的引入，会使金属产生定向移动的电子，定向移动的电子对位错产生了附加推力，在轧制过程中促进晶粒转动，进而促进晶界滑移，从而提高了金属的塑性变形，因此，针对不同材质存在的不同物理性能，通过调节脉冲电流参数可以很大程度上改善难变形金属的塑性能力，实现异种金属间的协调变形，降低残余应力。同时，加载脉冲电流后产生的定向移动电子通过有缺陷的晶格点阵时，原子的振动频率和能量增加，导致缺陷处晶格点阵温度更高，相当于材料中形成了数量众多、尺寸微小的“热核”，从而促进位错等缺陷的移动，减小应力集中，同时温度升高后，原子的扩散能力提高，“热核”处由于热膨胀对微孔洞、微裂纹施加压应力，使其闭合填充，达到治愈的效果，从而减少钛钢复合板中的微缺陷。与目前制备钛钢固相复合的工艺相比，本发明利用脉冲电流的作用，有效降低了钛钢复合板轧制的单道次压下率和加热温度，同时有效治愈了微缺陷，改善了协调变形性，降低了太钢复合板的残余应力；通过添加片状中间层材料，能够显著减少化合物产生，同时在脉冲电流的作用下界面组织晶粒细化，元素扩散加剧，结合强度显著提升，通过添加网状中间层材料，在减少化合物的基础上，促进尖端放电效应的形成，焦耳热效应与电致塑性效应显著增强，对界面处的冶金结合产生更为显著的效果，从而大大提高了复合板的结合强度，为实现工业上钛钢复合板的生产提供了可行办法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的轧制流程示意图；

图2是本发明实施例的脉冲电流辅助轧制示意图；

图3是本发明实施例的夹具示意图；

图4是本发明的实施例2的真空组坯示意图；

图5是本发明实施例1的轧制实物图；

图6是本发明实施例1式样的施加电流与不施加电流时钢侧剪切断裂面形貌对比图；

图7是本发明实施例2的界面形貌与SEM线扫结果图；

图8是本发明实施例3的界面形貌与SEM线扫结果图。

其中1为绝缘推杆，2为坯料，3为第一绝缘导卫，4为第一通电导线，5为第一紧触铜片，6为第一轧辊，7为第二轧辊，8为第二紧触铜片，9为第二绝缘导卫，10为第一电极，11为脉冲电源装置，12为第二通电导线，13为第二电极，14为第一304不锈钢板，16为第一TA1钛板，15为第一中间层，17为焊管，18为第二304不锈钢板，19为第二中间层，20为第二TA1钛板，21为隔离剂。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板方法，具体包括如下步骤：

S1、准备钛板、钢板以及中间层材料并将钛板、钢板以及中间层材料的待复合表面进行表面处理并清洗干净；

S2、坯料制备：将所述钛板、钢板以及中间层材料进行真空组坯；

S3、加热坯料：将加热装置加热到指定温度后放入坯料2进行一定时间的真空保温处理；

S4、轧制：取出热处理完成的坯料2放到安装有连接有脉冲电源装置11的夹具绝缘导卫3、9间，利用绝缘推杆1立即将坯料2推入轧机，根据一定的压下量和轧制速度立即进行轧制得到钛钢复合板。

实施例1：一种方波脉冲电流辅助热轧制钛钢复合板的方法

本实施例中步骤S2中组坯后的示意图如图4所示，选用304不锈钢板14、18为基板，尺寸为100×50×3.5mm；TA1钛板16、20为覆板，尺寸为100×50×2mm，TA1钛板16、20之间添加隔离剂21，将钛板、不锈钢板接触面使用钢丝刷打磨以去除表面氧化层并用酒精或丙酮清洗干净，使用氩气保护将坯料2四周及焊管17与坯料2连接处封严，防止工件发生氧化，待坯料2抽真空结束后再将焊管17进行焊接封严。

本实施例的方波脉冲电流辅助热轧制钛不锈钢复合板轧制过程示意图如图2所示，将850℃下保温2h的坯料2放置在夹具的绝缘导卫间，利用绝缘推杆1立即将坯料2推送至轧机入口处，以400A、1000Hz、50％占空比的方波脉冲电流，22％的压下量和40r/min的轧制速度进行轧制，方波脉冲电源在短时间内以1000Hz的高频率输出400A的极高电流，瞬时间内会产生极高的能量，利用产生的尖端效应，有效促进钛板、不锈钢板的复合界面元素扩散，使钛和钢在较小压下量和较低轧制温度下实现高强度复合，从而抑制了界面处脆性化合物的生成。同时，加载方波脉冲电流后产生的定向移动电子通过有缺陷的晶格点阵时，原子的振动频率和能量增加，导致缺陷处晶格点阵温度更高，相当于材料中形成了数量众多、尺寸微小的“热核”，这会促进位错等缺陷的移动，减小应力集中，同时温度升高后，原子的扩散能力提高，“热核”处由于热膨胀对微孔洞、微裂纹施加压应力，使其闭合填充，达到治愈的效果，从而减少钛钢复合板中的微缺陷。

本实施例的夹具示意图如图3所示，导卫3、9为绝缘材料，紧触铜片安装时需与轧辊入口保持一定距离以防止损坏夹具，紧触铜片5、8间靠近轧机入口处有一定间隙，轧制进行时电路接通，轧制结束后自动断电。

本实施例得到的钛不锈钢复合板如图5所示，轧后钛不锈钢复合板变形协调，平直度良好并且测得不锈钢板和钛板复合界面的剪切强度为278.42MPa，比相同温度和压下时不施加方波脉冲电流的钛不锈钢复合板强度高约40MPa。对剪切断裂面进行扫描电镜观察，断裂面形貌如图6所示，元素扫描结果显示钢侧Ti元素质量分数接近100％，表明断裂发生在钛基体上，界面结合质量高，但是明显看出剪切断裂面形貌特征明显不同，表明方波脉冲电流对材料断裂方式产生了积极影响，方波脉冲电流的引入使金属产生定向移动的电子，定向移动的电子对位错产生了附加推力，在轧制过程中促进晶粒转动，进而促进晶界滑移，从而提高了金属的塑性变形，因此，针对不同材质存在的不同物理性能，通过调节脉冲电流参数可以很大程度上改善难变形金属的塑性能力，实现异种金属间的协调变形，降低了残余应力，提高了金属的塑性变形。

实施例2：一种正弦波脉冲电流辅助热轧制含片状纯铁中间层钛钢复合板的方法

本实施例中步骤S2中组坯后的示意图如图4所示，选用304不锈钢板14、18为基板，尺寸为100×50×3.5mm；TA1钛板16、20为覆板，尺寸为100×50×2mm，中间层材料选用纯铁片，厚度为50μm。TA1钛板16、20之间添加隔离剂21，钛板、不锈钢板与纯铁片接触面使用钢丝刷或砂纸打磨去除表面氧化层并用酒精或丙酮清洗干净，使用氩气保护将坯料2四周及焊管17与坯料2连接处封严，防止工件发生氧化，待坯料2抽真空结束后再将焊管17进行焊接封严。

本实施例的正弦波脉冲电流辅助热轧制含片状纯铁中间层钛钢复合板轧制过程示意图如图2所示，将850℃下保温2h的坯料2放置在夹具的绝缘导位间，利用绝缘推杆1立即将坯料2推送至轧机入口处，以300A、500Hz、50％占空比的正弦波脉冲电流，40％的压下量和40r/min的轧制速度进行轧制，利用脉冲电源在短时间内高频率输出极高的电流，瞬时产生极高的能量，同时在中间层金属材料的作用下，由于中间层结构附件存在大量微小间隙，间隙越尖，曲率越大，面电荷密度越高，其附近场强越强，便会产生尖端效应，从而有效促进复合界面元素扩散，使钛和钢能够在较小压下量和较低轧制温度下实现高强度复合，从而抑制了界面处脆性化合物的生成。同时脉冲电流的引入，会使金属产生定向移动的电子，定向移动的电子对位错产生了附加推力，在轧制过程中促进晶粒转动，进而促进晶界滑移，从而提高了金属的塑性变形。

本实施例的夹具示意图如图3所示，导卫3、9为绝缘材料，紧触铜片安装时需与轧辊入口保持一定距离以防损坏夹具，紧触铜片5、8间靠近轧机入口处有一定间隙，轧制进行时电路接通，轧制结束后自动断电。

本实施例得到的钛不锈钢复合板界面形貌图与线扫结果如图7所示，轧后钛不锈钢复合板变形协调，平直度良好并且测得不锈钢板和钛板复合界面的剪切强度为207.01MPa，通过控制夹层厚度、压下率以及加热时间的长度，可以实现对化合物层厚度与扩散层厚度的控制，获得满足性能的钛钢复合板。

实施例3：一种矩形波脉冲电流辅助热轧制含纯铁网中间层钛钢复合板的方法

本实施例中步骤S2中组坯后的示意图如图4所示，选用304不锈钢板14、18为基板，尺寸为100×50×3.5mm；TA1钛板16、20为覆板，尺寸为100×50×2mm，中间层材料选用纯铁网，厚度为50μm。TA1钛板16、20之间添加隔离剂21，钛板、不锈钢板与纯铁网接触面使用钢丝刷或砂纸打磨去除表面氧化层并用酒精或丙酮清洗干净，使用氩气保护将坯料2四周及焊管17与坯料2连接处封严，，防止工件发生氧化，待坯料2抽真空结束后再将焊管17进行焊接封严。

本实施例的矩形波脉冲电流辅助热轧制含纯铁网中间层钛钢复合板的轧制过程示意图如图2所示，将850℃下保温2h的坯料2放置在夹具的绝缘导卫间，利用绝缘推杆1立即将坯料2推送至轧机入口处，以300A、500Hz、50％占空比的矩形波脉冲电流，40％的压下量和40r/min的轧制速度进行轧制。

本实施例的夹具示意图如图3所示，导卫3、9为绝缘材料，紧触铜片安装时需与轧辊入口保持一定距离以防损坏夹具，紧触铜片5、8间靠近轧机入口处有一定间隙，轧制进行时电路接通，轧制结束后自动断电，矩形波脉冲电流的引入，会使金属产生定向移动的电子，定向移动的电子对位错产生了附加推力，在轧制过程中促进晶粒转动，进而促进晶界滑移，从而提高了金属的塑性变形，因此，针对不同材质存在的不同物理性能，通过调节脉冲电流参数可以很大程度上改善难变形金属的塑性能力，实现异种金属间的协调变形，降低残余应力。同时，加载脉冲电流后产生的定向移动电子通过有缺陷的晶格点阵时，原子的振动频率和能量增加，导致缺陷处晶格点阵温度更高，相当于材料中形成了数量众多、尺寸微小的“热核”，这会促进位错等缺陷的移动，减小应力集中，同时温度升高后，原子的扩散能力提高，“热核”处由于热膨胀对微孔洞、微裂纹施加压应力，使其闭合填充，达到治愈的效果，从而减少钛钢复合板中的微缺陷。

本实施例得到的钛不锈钢复合板界面形貌图与线扫结果如图8所示，轧后钛不锈钢复合板变形协调，平直度良好并且测得不锈钢板和钛板复合界面的剪切强度为275.00MPa，通过添加网状夹层，由于在网状结构附近存在大量微小间隙，间隙越尖，曲率越大，面电荷密度越高，其附近场强越强，便会产生尖端效应，从而有效促进复合界面元素扩散，使钛和钢能够在较小压下量和较低轧制温度下实现高强度复合，从而抑制了界面处脆性化合物的生成，获得了更加复杂的界面形貌特征，通过控制夹层厚度、网格密度、压下率以及加热时间的长度，可以实现对化合物层厚度与扩散层厚度的控制，获得满足不同需求性能的复合板。

另外，根据本发明的工艺原理，还可用于脉冲电流辅助轧制制备其他金属复合板。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、轧制：取出加热完成的坯料将其放置到连接有脉冲电源装置的轧机入口处，利用绝缘推板立即将坯料推入轧机，进行轧制得到钛钢复合板。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S1中所述钛、钢和中间层材料用钢丝刷、砂轮或砂纸进行表面处理以去除钛板、钢板以及中间层表面的氧化层，并用丙酮和酒精擦拭干净。

3.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S1中所述钛板选自TA1、TA2、TC4、TC6、TC10其中的一种。

4.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S1中所述钢板选自Q235、Q345、302、304、304L、316和45钢其中的一种。

5.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S1中所述的中间层材料为片状或网状结构，厚度小于基材与覆材，材料为纯铜、纯铁、纯镍和纯铌其中的一种。

6.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S2中所述组坯方式为真空组坯。

7.根据权利要求1所述脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S3中所述坯料保温温度为600℃～1150℃，保温时间为1～2h。

8.根据权利要求1所述脉冲电流辅助热轧制备钛钢复合板的方法，其特征在于，步骤S4中所述脉冲电流大小0～600A，频率0～2000Hz，占空比0～100％，波形选用方波、矩形波、正弦波，轧制压下率大于等于15％，轧制速度为0.1m/s-20m/s。