CN111659989A - 一种熔覆制备钛钢复合板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合板制备技术领域，尤其涉及一种熔覆制备钛钢复合板的方法。其包括：在基材上依次放置铜材和钛材，对钛材和/或基体表面施加压力，使得三层金属贴合，随后进行熔覆，熔覆过程中保持三层金属相互贴合，熔覆完成后冷却即得到钛钢复合板。本发明通过等离子或激光熔覆技术，克服钛铁链接的难点，并且可以进行选区熔覆，节省熔覆材料的同时拓宽了钛合金涂层的应用；通过在钛与铁间设计适当的过渡层，降低气孔、裂纹等缺陷，增强了基体和覆层之间的结合力，得到性能优异的钛钢复合板，显著降低了钛的应用成本，成功结合了钛与铁二者的优点。

Description

一种熔覆制备钛钢复合板的方法
技术领域
本发明属于复合板制备技术领域，尤其涉及一种熔覆制备钛钢复合板的方法。
背景技术
钛钢复合板是一种新型的板材材料，其既具有钛金属优良的耐腐蚀性能，又具有基材结构钢的强度和塑性，与钛板相比其经济成本大幅度下降，能够有效降低成本并减少稀缺金属资源的消耗，是耐腐蚀环境设备知道的理想材料。因此，其目前被大量用于各种化学反应容器、热交换器等防腐蚀产品领域中。
现有的钛钢复合板生产方法可分为以下四种：爆炸复合法、扩散复合法、爆炸-轧制法以及轧制复合法。但是，现有的生产方法均存在工艺复杂、能量消耗大、环境污染严重、成材率相对较低等一系列问题。
等离子熔覆和激光熔覆是两种相对较新的金属表面处理技术，等离子熔覆更是一种在激光熔覆、等离子堆焊等表面处理技术的基础上发展起来的一种金属表面处理技术。在熔覆焊接过程中，等离子束或激光束沿焊缝移动，使焊缝处材料升温、熔化，经过动态再结晶，实现材料连接。等离子和激光熔覆具有能量密度高、精度高等优点，熔覆后基材可保持原有的厚度，可以有效避免熔覆过程中产生的各种缺陷，并减少脆性金属间化合物的生成。因此在异种材料的连接中有广泛的应用前景。
但是目前并没有将其用于钛钢复合板的制备领域的成熟方案，这是因为等离子熔覆和激光熔覆用于钛钢复合板制备时存在一定钛铁结合强度差的缺陷，使得基材钢表面的钛层容易脱落。
为解决上述问题，本领域技术人员提出了各式各样的解决方案。如中国专利局于2018年12月21日公开了一种钛钢复合板的焊接方法及其应用的发明专利申请，申请公开号为CN109048012A，其采用实现钛层熔覆制备后，采用熔入型等离子焊弧且焊枪横向摆动，在所述钛覆层与所述钢基层结合的平面上堆焊厚度约为0.2～3.0mm的V/Nb或其合金制成的中间过渡层，以此实现提高钛铁结合强度的目的。但是其所公开的检测结果表明，其仅是焊接接头处的抗拉强度与母材强度相近，而焊接接头处还进行了堆焊提高结合强度的处理，可预期其整体板材中钛覆层与基材钢的结合强度较低，经试验也表明，其钛覆层结合强度仅约为焊接接头处的76％，钛铁结合强度虽有提高，但提高较为有限，表明母材与其余部分的钛覆层结合较为有限。并且其中间过渡层的制备需要熔覆形成小孔，穿过钛覆层对中间过渡层进行熔覆，该熔覆效果有限且精度要求极高，整体工艺复杂、需要进行多次熔覆，熔覆难度较大，依然存在工艺复杂、能量消耗大以及钛层结合有待提高等问题。
发明内容
为解决现有的钛钢复合板的传统生产工艺存在工艺流程繁琐复杂、能耗大、成材率低、产品品质差等问题，且现有的新型工艺也存在工艺复杂等问题，本发明提供一种熔覆制备钛钢复合板的方法。
本发明的主要目的在于：
1)降低钛钢复合板的熔覆制备成本，简化工艺、提高生产效率；
2)克服钛铁链接的难点，提高钛层与基材的结合强度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种熔覆制备钛钢复合板的方法，
所述方法包括：
在基材上依次放置铜材和钛材，对钛材和/或基体表面施加压力，使得三层金属贴合，随后进行熔覆，熔覆过程中保持三层金属相互贴合，熔覆完成后冷却即得到钛钢复合板。
本发明技术方案仅需进行一次熔覆即可实现钛钢复合板的制备，简洁高效。采用铜材作为中间层，能够起到中间过渡的作用，解决钛铁链接的难点，提高钛层的结合稳定性，并且相较于其余的金属而言，对于本发明技术方案具有独特性，其具有质软、低熔点和易扩散等优势，能够在较低温度的条件下即实现多层复合。并且，本发明独创性地采用板材配合施加压力的方式能够进一步提高各层间结合力，解决钛铁链接的难点，提高钛铁结合强度，使得钛层不易脱落分离。
作为优选，
所述基材为碳钢或低合金钢。
通常钛钢复合板均为上述的基材，并且经过试验，常见上述种类基材均能够实现极为优异的熔覆制备效果。
作为优选，
钛材表面还涂覆有防氧化隔离剂。
防氧化隔离剂的采用能够进一步在熔覆过程和冷却中实现防止钛层表面氧化的问题，改善了复合板的表面质量。
作为优选，
所述防氧化隔离剂为Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3、Fe2O3和水玻璃中的任意一种或多种。
上述隔离剂的选用均能够实现防止钛层表面氧化的问题，并且其中部分隔离剂能够进一步在钛层表面复合形成复合金属层如Al2O3和SiO2等。
作为优选，
所述铜材为片状或板状铜材，铜材厚度为0.1～1.0mm。
上述厚度的片状或板状铜材，即能够有效提高钛铁结合强度。铜材厚度过小时，钛铁结合强度提升不显著，而铜材厚度过大时，不但产生了资源浪费，还提高了层间扩散的难度，反而容易提高钛铁链接的难度。
作为优选，
所述钛材为片状或板状钛材，钛材厚度为0.2～2.0mm。
上述厚度的片状或板状钛材既能够实现良好的防腐蚀效果，厚度过小会导致防腐蚀效果较差，而厚度过大则会导致产生资源浪费。
作为优选，
所述钛材为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti3-Al、Ti-Al、Ti-Al3、TiAlNb和Ti-47Al-2Cr-2Nb中的任意一种。
上述的钛材均能够实现钛钢复合板的制备，具有良好的防腐蚀效果，并且钛铁链接效果较优。
作为优选，
所述熔覆采用等离子熔覆或激光熔覆。
等离子熔覆和激光熔覆均具有能量密度大、升温快等特点，可以有效克服钛铁链接的难点，并且上述工艺均能够实现选区熔覆，节省熔覆材料的同时拓宽了钛合金涂层的应用。
作为优选，
所述熔覆过程加热三层金属至100～800℃。
上述加热温度条件下即能够实现良好的钛钢复合板的制备。实际制备温度取决于铜材和钛材的厚度、隔离剂选用的种类以及熔覆深度要求等因素。温度过低时，无法实现良好的制备效果，而温度过高则会产生资源浪费，同时对于熔覆而言，温度过高容易导致铜材的熔融、发生钛层倾斜等问题，反而对于钛钢复合板产生不利的影响。可满足上述加热的等离子熔覆参数包括以下：工作电流100～160A，工作电压20～30V，扫描速度为0.1～0.5m/min，等离子气(Ar)：0.3～1.0m3/h，保护气(Ar)：0.3～1m3/h；可满足上述加热的激光熔覆参数包括以下：激光功率1200～1800W，扫速为0.1～0.5m/min，保护气(Ar)：0.3～1.0m3/h。实际制备过程以具体控制加热温度为准。
作为优选，
熔覆进行一次或多次。
熔覆可进行多次，以进一步提高熔覆深度，提高熔覆效果。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过等离子或激光熔覆技术，克服钛铁链接的难点，并且可以进行选区熔覆，节省熔覆材料的同时拓宽了钛合金涂层的应用；
2)通过在钛与铁间设计适当的过渡层，降低气孔、裂纹等缺陷，增强了基体和覆层之间的结合力，得到性能优异的钛钢复合板，显著降低了钛的应用成本，成功结合了钛与铁二者的优点；
3)采用氧化隔离剂，解决熔覆过程钛板的氧化问题，改善了复合板表面质量；
4)本发明可控参数较多，可以更好的实现对涂层质量的控制，工艺可控性好，制备工艺简单、操作方便、效率高、易于实现。
附图说明
图1为本发明熔覆前基层基材与复合层钛材的组配示意图；
图中：1防氧化隔离剂，2钛材，3铜材，4基材。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
准备一块规格为100×100×8mm的Q235碳钢板(基材4)，一块规格为100×100×1mm的Ti-6Al-4V钛板(钛材2)，一块规格为100×100×0.3mm的铜箔(铜材3)，将钛板和钢板打磨抛光并洗净，右下至上按照钢板、铜箔、钛板的顺序将其叠放于等离子熔覆工作台上，在钛板表面涂覆一层厚度为0.3mm的SiO2(防氧化隔离剂1)，具体如图1所示，防止熔覆过程中钛板的氧化；
钛板距离焊枪8mm，设定等离子熔覆工艺参数为：工作电流120A，工作电压20V，扫描速度为0.5m/min，等离子气(Ar)：0.3m3/h，保护气(Ar)：1m3/h；
在上述条件下，使得三层金属在熔覆过程中被加热至约400～450℃，平行与扫描方向的两侧，聚熔覆线10mm处施加压力，压力大小为200N。启动开关进行熔覆。熔覆完成后空冷至室温，即制得钛钢复合板。
实施例2
具体操作同实施例1，所不同的是：
纯钛板厚度为0.6mm，铜箔厚度为0.2mm，防氧化隔离剂替换为Al2O3；
调整等离子熔覆工艺参数(工作电流110A，工作电压20V，扫描速度为0.15m/min，等离子气：1m3/h，保护气：1m3/h)使得三层金属在熔覆过程中被加热至600～650℃。
实施例3
具体操作同实施例2，所不同的是：
纯钛板替换为Ti-5Al-2.5Sn钛板；
调整等离子熔覆工艺参数(工作电流140A，工作电压20V，扫描速度为0.15m/min，等离子气：1m3/h，保护气：1m3/h)使得三层金属在熔覆过程中被加热至750～800℃。
实施例4
具体操作同实施例2，所不同的是：
在熔覆完成后，进一步进行如实施例3工艺参数的熔覆操作。
实施例5
具体操作同实施例1，所不同的是：
钛板厚度为0.5mm，铜箔厚度为0.1mm，隔离剂替换为水玻璃；
将等离子熔覆替换为激光熔覆，激光熔覆的工艺参数如下：激光功率1500W，圆光斑直径2.8mm，扫描速度为0.4m/min，保护气(Ar)：0.3m3/h；
熔覆过程中将三层金属加热至300～350℃。
实施例6
具体操作同实施例5，所不同的是：
在实施例5的基础上，进一步进行等离子熔覆，等离子熔覆的工艺参数为：工作电流160A，工作电压20V，扫描速度0.15m/min，等离子气(Ar)：1m3/h，保护气(Ar)：1m3/h。
实施例7
具体操作同实施例1，所不同的是：
调节铜箔厚度为0.1mm，Ti3-Al钛材厚度为0.2mm；
调整等离子熔覆的工艺参数控制三层金属仅被加热至100～120℃。
实施例8
具体操作同实施例4，所不同的是：
铜箔替换为厚度为1.0mm的薄片铜，Ti-Al3钛板厚度为2.0mm。
对比例1
具体操作同实施例1，所不同的是：
不涂覆防氧化隔离剂。
对比例2
具体操作同实施例1，所不同的是：
不涂覆防氧化隔离剂且不添加铜材。
对比例3
具体操作同实施例1，所不同的是：
铜箔厚度为0.08mm。
对比例4
具体操作同实施例1，所不同的是：
铜箔替换为厚度1.0mm的钒/铌金属板(钒和铌的原子比为1：1)。
对比例5
具体操作同实施例1，所不同的是：
钛板替换为厚度0.1mm的钛薄片。
对比例6
具体操作同实施例1，所不同的是：
钛板厚度为3.0mm。
对比例7
具体操作同实施例1，所不同的是：
熔覆过程中不施加压力。
对比例8
采用CN109048012A实施例3所公开技术方案进行制备。
对比例9
具体操作同实施例1，所不同的是：
仅调节等离子扫速，控制三层金属加热温度为900～950℃。
对比例10
具体操作同实施例1，所不同的是：
仅调节等离子扫速，控制三层金属加热温度为70～90℃。
测试
对上述实施例1～8和对比例1～10所制得的钛钢复合板进行防腐蚀性能测试，并进行结合强度测试。结合强度检测依照GBT 8642–2002进行。
经检测，除对比例5以外，所有实施例和对比例均符合行业对于钛钢复合板的防腐蚀性能要求。
而结合强度结果以对比例8作为基准值100％，对比例1～7和对比例9～10所制得钛钢复合板的结合强度为84～121％，其中对比例5所测得结合强度为121％，除对比例5以外的对比例1～7和对比例9～10所制得钛钢复合板的钛铁结合强度为84～96％。而实施例1～8的检测结果显示，钛铁结合强度为120％(实施例7)～132％(实施例4)，相较于CN109048012A技术方案而言产生了显著的提升，并且整体工艺简洁高效，更加适用于工业化生产。

Claims (10)

1.一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述方法包括：
在基材上依次放置铜材和钛材，对钛材和/或基体表面施加压力，使得三层金属贴合，随后进行熔覆，熔覆过程中保持三层金属相互贴合，熔覆完成后冷却即得到钛钢复合板。
2.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述基材为碳钢或低合金钢。
3.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
钛材表面还涂覆有防氧化隔离剂。
4.根据权利要求3所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述防氧化隔离剂为Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3、Fe2O3和水玻璃中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述铜材为片状或板状铜材，铜材厚度为0.1～1.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述钛材为片状或板状钛材，钛材厚度为0.2～2.0mm。
7.根据权利要求1或6所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述钛材为纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti3-Al、Ti-Al、Ti-Al3、TiAlNb和Ti-47Al-2Cr-2Nb中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述熔覆采用等离子熔覆或激光熔覆。
9.根据权利要求1或8所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
所述熔覆过程加热三层金属至100～800℃。
10.根据权利要求1所述的一种熔覆制备钛钢复合板的方法，其特征在于，
熔覆进行一次或多次。
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