CN111940502B - 提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，以钢材料为基层、钛材料为覆层，采用热轧复合法制备钛/钢复合材料，制备前，清除钢材料和钛材料表面的氧化物，并在钛材料表面沉积一定浓度的强αTi稳定元素，制备时，利用强αTi稳定元素抑制扩散到钛侧的包括Fe、Ni在内的βTi稳定元素的不利影响，提高钛的同素异构转变温度，在复合轧制温度区间内，将钛材料在复合界面处组织调控为αTi，利用C元素在γFe及αFe中的扩散系数均大于在αTi中的扩散系数，在复合界面形成TiC组织，抑制包括Fe‑Ti在内的脆性相的形成，使钛/钢复合材料的界面剪切强度由140‑220MPa提升至300MPa以上。该方法能提高钛/钢复合材料界面结合强度，使结合界面剪切强度达到300MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于材料复合领域，具体涉及一种提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法。
背景技术
异质金属层状复合材料是兼具基层材料和覆层材料性能以及成本优势的新型材料，应用于能源、交通、海洋以及航空航天领域。对于钛/钢复合材料，由于其界面极易形成Fe-Ti脆性相，降低复合界面的结合强度。为了解决钛/钢复合材料的界面结合强度问题，目前已采用或正在探索的钛/钢复合材料的制备方法有：1)采用爆炸复合或爆炸+轧制法制备钛/钢复合材料；2)添加V、Ni、Mo、Fe等中间层，采用热轧复合法制备钛/钢复合材料；3)降低轧制温度，采用低轧制温度的热轧复合法制备钛/钢复合材料。
爆炸或爆炸+轧制复合法不仅环境污染严重、产品规格受限，而且复合界面剪切强度一般为196MPa(0类)或140MPa(1类)；采用添加中间层制备钛/钢复合材料时，由于中间层材料难以同时满足与钛、钢两侧界面的结合强度要求，因此对界面结合强度的改善能力有限；相比前两种方法，降低复合轧制温度可以有效抑制Fe-Ti等中间脆性相的形成。已有实验数据表明，将轧制温度限制在850℃以下温度时，复合界面的剪切强度可达200-220MPa。
在钛及钛合金与普碳钢、不锈钢等含有βTi稳定元素的基板制备异质金属复合材料过程中，基材侧的Fe、Ni等βTi稳定元素扩散进入钛侧，降低βTi的同素异构转变温度，致使复合材料制备过程中，钛侧的界面组织在较低温度下就转变为βTi组织，并且一直保留至室温。在复合轧制温度区间，由于C在βTi组织中的扩散系数大于C在γFe及αFe中的扩散系数，无法形成阻碍Fe、Ni原子进入钛侧的TiC层，因此极易形成Fe-Ti等脆性相，降低复合界面的结合强度。
由于上述三种传统钛/钢复合材料制备方法都没有从根本上解决Fe-Ti等脆性相问题，造成钛/钢复合材料的界面结合强度远低于不锈钢/钢、耐蚀合金/钢等同类复合材料界面结合强度，难以满足下游成型加工及使用要求，使钛/钢复合材料的应用领域受到极大的制约。
由上可知，现有技术尚无法从根本上解决Fe-Ti化合物对钛/钢复合材料界面结合强度影响的问题，迫切需要开发关键技术，突破钛/钢复合材料界面结合强度低的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，该方法能使钛/钢复合材料的界面剪切强度由目前的140-220MPa提升至300MPa以上。
本发明所采用的技术方案是：
一种提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，以钢材料为基层、钛材料为覆层，采用热轧复合法制备钛/钢复合材料，制备前，清除钢材料和钛材料表面的氧化物，并在钛材料表面沉积一定浓度的强αTi稳定元素，制备时，利用强αTi稳定元素抑制扩散到钛侧的包括Fe、Ni在内的βTi稳定元素的不利影响，提高钛的同素异构转变温度，在复合轧制温度区间内，将钛材料在复合界面处组织调控为αTi，利用C元素在γFe及αFe中的扩散系数均大于在αTi中的扩散系数，在复合界面形成TiC组织，抑制包括Fe-Ti在内的脆性相的形成，使钛/钢复合材料的界面剪切强度由140-220MPa提升至300MPa以上。
进一步地，强αTi稳定元素包括镓。
进一步地，在钛材料表面沉积一定浓度的镓的方法是，用含有镓的工具研磨、擦拭、涂抹钛材料待复合的表面，去除钛材料表面内层氧化物的同时，使部分镓固溶进入钛材料表面。
进一步地，研磨、擦拭、涂抹时使镓处于液态。
进一步地，研磨、擦拭、涂抹时使镓处于液态的方法是，保持钛材料表面温度高于镓的熔点，或者采用外部热源使镓熔化后再将其研磨、擦拭、涂抹于钛材料的待复合表面。
进一步地，通过改变钛侧的组织结构，使C原子在复合界面聚集，形成TiC组织，进而抑制包括Fe-Ti在内的脆性相的形成。
进一步地，钢材料包括碳钢、不锈钢以及含有其它βTi稳定元素的合金材料。
进一步地，钛材料包括钛、钛合金。
本发明的有益效果是：
该方法能提高钛/钢复合材料界面的结合强度，使钛/钢复合材料的界面剪切强度由目前的140-220MPa提升至300MPa以上。
附图说明
图1是采用低轧制温度的热轧复合法得到的TA2/Q345复合材料的界面结构。
图2是图1中界面处形成的Fe-Ti化合物。
图3是采用本发明中的方法得到的TA2/Q345复合材料的界面结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
以TA2与Q345复合为例，采用传统的热轧复合法制备钛/钢复合材料，当轧制温度为850℃时，其界面结构如图1所示。从图可见，钛侧的组织分别为Ti、(α+β)Ti以及βTi。由于Fe、C在βTi组织中的扩散系数分别为：1.0x10-12 m2·s-1、9.6x10-11 m2·s-1均远大于其在αTi中的扩散系数：8.7x10-14 m2s-1、9.1x10-14 m2·s-1。因此，当钛材料界面组织由αTi转变为βTi后，低温阶段在复合界面形成的TiC层逐渐消失，大量Fe元素进入钛侧，形成FeTi及Fe2Ti等脆性相如图2所示，降低了复合界面结合强度。
为了提高钛/钢复合材料界面结合强度，同样以TA2与Q345复合为例，采用本发明所述的提高钛/钢复合材料界面强度的方法制备钛/钢复合材料——制备前，采用机械表面处理方法清除基材碳钢以及覆材钛表面的氧化物，再用含有镓的研磨工具研磨钛材料待复合的表面，去除钛材料表面内层氧化物的同时，使部分镓固溶进入钛材料表面，研磨时保持钛材料表面高于镓的熔点，镓在Ti中有12at％的溶解度，因此钛材料的待复合表面具有较高浓度的镓；制备时，采用对称组坯法或非对称组坯法制坯、封焊、加热、轧制、冷却和精整，在加热和轧制过程中，钢材料侧部分Fe、C元素扩散进入钛材料侧，由于钛材料表面已经固溶较高浓度的强αTi稳定元素镓，在Fe与镓的竞争作用下，钛的同素异构转变温度升高，使在复合轧制温度区间内，钛在复合界面保持为αTi组织，如图3所示。由于C在γFe及αFe中的扩散系数均大于C在αTi中的扩散系数，因此，在复合界面形成均匀的TiC层，进而抑制Fe-Ti脆性相的形成，将复合板的界面结合强度提高至313MPa，远高于爆炸复合法及传统热轧复合法所得到的界面结合强度(140MPa-220MPa)
本发明方法所适用的钢材料包括碳钢、不锈钢、含有其它βTi稳定元素的合金材料，所适用的钛材料包括钛、钛合金。
虽然在本实施例选定的强αTi稳定元素为镓，但是其它能起到提高钛/钢复合材料界面结合强度的强αTi稳定元素也在本发明的保护范围之下。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，以钢材料为基层、钛材料为覆层，其特征在于：采用热轧复合法制备钛/钢复合材料，制备前，清除钢材料和钛材料表面的氧化物，并在钛材料表面沉积一定浓度的强αTi稳定元素，制备时利用强αTi稳定元素抑制扩散到钛侧的βTi稳定元素的不利影响，所述βTi稳定元素包括Fe或Ni，提高钛的同素异构转变温度，在复合轧制温度区间内，将钛材料在复合界面处组织调控为αTi，利用C元素在γFe及αFe中的扩散系数均大于在αTi中的扩散系数，在复合界面形成TiC组织，抑制脆性相的形成，所述脆性相包括Fe-Ti，使钛/钢复合材料的界面剪切强度由140-220MPa提升至300MPa以上。
2.如权利要求1所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：强αTi稳定元素包括镓。
3.如权利要求2所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：在钛材料表面沉积一定浓度的镓的方法是，用含有镓的工具研磨、擦拭、涂抹钛材料待复合的表面，去除钛材料表面内层氧化物的同时，使部分镓固溶进入钛材料表面。
4.如权利要求3所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：研磨、擦拭、涂抹时使镓处于液态。
5.如权利要求4所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：研磨、擦拭、涂抹时使镓处于液态的方法是，保持钛材料表面温度高于镓的熔点，或者采用外部热源使镓熔化后再将其研磨、擦拭、涂抹于钛材料的待复合表面。
6.如权利要求1所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：通过改变钛侧的组织结构，使C原子在复合界面聚集，形成TiC组织，进而抑制脆性相的形成，所述脆性相包括Fe-Ti。
7.如权利要求1至6任一所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：钢材料包括碳钢或不锈钢。
8.如权利要求1至6任一所述的提高钛/钢复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：钛材料包括钛或钛合金。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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