CN114603143A - 基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，包括以下步骤：在钢板上铺放钛铝混合粉末；将钛板放置在钛铝混合粉末上；将轧辊压在钛板上；将轧辊加热至大于或等于667℃；当钛板的表面温度大于或等于680℃时，启动轧辊，轧制钛板，直至钛板与钢板复合在一起。利用自蔓延反应为钛钢复合板的制备过程提供足够的热量，降低钛钢结合所需要的温度；钛粉和铝粉的自蔓延反应在燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，能够使钛板和钢板的界面形成良好的冶金结合，提高界面的结合强度；基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，可以降低钛板和钢板结合所需的轧制压力和温度，有助于制备薄复合层的钛钢复合板。
Description
技术领域
本申请涉及钛钢复合板制备领域，特别是一种基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法。
背景技术
金属复合板是由两层或者多层异质金属经过特殊工艺加工叠合在一起，实现界面冶金结合的复合材料。钢材具有强度高、成本低等优点，成为如今在各领域中应用相当广泛的一种金属材料；钛及钛合金具有耐腐蚀性良好，比强度高、耐高温、韧性好、导热性能优良、抗疲劳性能良好的特点，广泛应用于化工、航空航天、海洋工程等领域。但是钢的耐腐蚀性能较差且钛相较于钢材价格更贵，因此，制备兼具高强度，抗疲劳，耐腐蚀性好的钛钢复合板可以节省稀贵材料，降低生产成本。
常用的钛钢复合板的制备工艺有爆炸复合法和热轧复合法。爆炸复合法存在有噪声大，工作环境差，且炸药爆炸会产生一定的环境污染，制备的复合板其界面的结合强度较低等问题；热轧制复合法制备钛钢复合板的过程中，由于受热过程不均匀，轧制过程中会出现翘边和头部撕裂等现象，影响复合板制备过程中的成材率和生产效率，同时会对工艺设备造成损坏，此外，由于热轧制的温度不够，制备钛钢复合板时需要的轧制力较大，容易使钛板受损，难以用于制备薄复合层的钛钢复合板。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法能够降低钛钢结合所需的轧制压力和轧制温度，有助于制备薄复合层的钛钢复合板。
根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，包括以下步骤：
在钢板上铺放钛铝混合粉末；
将钛板放置在所述钛铝混合粉末上；
将轧辊压在所述钛板上；
将所述轧辊加热至大于或等于667℃；
当所述钛板的表面温度大于或等于680℃时，启动所述轧辊，轧制所述钛板，直至所述钛板与所述钢板复合在一起。
根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，至少具有如下技术效果：利用自蔓延反应一经引燃便不需要对其进一步提供能量便可持续进行的特性，为钛钢复合板的制备过程提供足够的热量，降低钛钢结合所需要的温度；钛粉和铝粉的自蔓延反应在燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，能够避免钛与铁的结合，减少自蔓延反应中生成钛铁脆性化合物的数量，使钛板和钢板的界面形成良好的冶金结合，提高界面的结合强度；基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，可以降低钛板和钢板结合所需的轧制压力和温度，有助于制备薄复合层的钛钢复合板。
根据本申请的一些实施例，所述钢板包括边缘区域和中心区域，所述边缘区域由所述钢板的边缘向所述钢板的内侧延伸；
其中，在所述钢板上铺放钛铝混合粉末这一步骤，包括：
在所述边缘区域铺放铝粉含量为55％-60％的所述钛铝混合粉末；
在所述中间区域铺放铝粉含量为40％-55％的所述钛铝混合粉末。
根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，边缘区域和中间区域的差异化成分粉末铺放可以满足边缘区域需要更高结合韧性和结合强度的需要以及中间区域钛中间区域硬度更高的需求，有助于实现更好的钛钢复合板结合效果。
根据本申请的一些实施例，所述边缘区域的宽度在2cm-10cm之间。
根据本申请的一些实施例，所述钛铝混合粉末通过球磨机制备并用干燥箱烘干，所述钛铝混合粉末中钛粉和铝粉的直径范围在0.05μm-300μm之间，所述钛铝混合粉末的铺放厚度在0.05mm-3mm之间。
根据本申请的一些实施例，将所述轧辊加热至大于或等于667℃这一步骤中，所述轧辊的温度在680℃-850℃之间，控制轧辊的温度以控制自蔓延反应的反应速度。
根据本申请的一些实施例，将所述轧辊加热至大于或等于667℃这一步骤，包括：
向加热区域通入氩气，对加热过程进行保护，所述氩气的纯度大于或等于99.99％。
根据本申请的一些实施例，轧制时所述钛板的表面温度控制在667℃-900℃之间，所述轧辊的轧制压力在0.5MPa-30MPa之间，所述轧辊的轧制速度在1mm/s-100mm/s之间。
根据本申请的一些实施例，所述钢板的材料采用碳素钢或低合金钢，所述钢板的厚度在2mm-50mm之间，所述钛板的材料采用工业纯钛，所述钛板的厚度在0.1mm-2mm之间。
根据本申请的一些实施例，轧制所述钛板这一步骤，包括：
所述轧辊对所述钛板进行一次轧制；
所述轧辊相对所述钛板移动，所述轧辊对所述钛板进行下一次轧制；
其中，相邻两次轧制的轧制区域具有重叠区域。
根据本申请的一些实施例，所述轧辊相对所述钛板移动这一步骤中，所述轧辊沿所述钛板的宽度方向移动，其中，所述重叠区域的宽度为所述钛板的宽度的20％-30％。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是实施本申请实施例时使用的钛钢复合板制备装置的轴测示意图；
图2是本申请实施例的步骤流程图。
附图标记：
轧辊1、火焰加热器2、氩气保护装置3、温度控制装置4、钢板5、钛铝混合粉末6、钛板7。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，包括以下步骤：
在钢板5上铺放钛铝混合粉末6；
将钛板7放置在钛铝混合粉末6上；
将轧辊1压在钛板7上；
将轧辊1加热至大于或等于667℃；
当钛板7的表面温度大于或等于680℃时，启动轧辊1，轧制钛板7，直至钛板7与钢板5复合在一起。
自蔓延合成是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，参与反应的物质在点燃后能够通过化学反应自放热，从而在无外加热源的情况下也能持续地反应，铝热反应是一种常见的自蔓延反应。
根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，利用自蔓延反应一经引燃便不需要对其进一步提供能量便可持续进行的特性，为钛钢复合板的制备过程提供足够的热量，降低钛钢结合所需要的温度，基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，可以降低钛板和钢板结合所需的轧制压力和温度，有助于制备薄复合层的钛钢复合板。
并且，本申请选用钛铝混合粉末作为自蔓延反应的原料，钛粉和铝粉的自蔓延反应在燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，能够避免钛与铁的结合，减少自蔓延反应中生成钛铁脆性化合物的数量，使钛板和钢板的界面形成良好的冶金结合，提高界面的结合强度，基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法有助于制备质量优异的钛钢复合板。
根据本申请的一些实施例，钢板5包括边缘区域和中心区域，边缘区域由钢板5的边缘向钢板5的内侧延伸；
其中，在钢板5上铺放钛铝混合粉末6这一步骤，包括：
在边缘区域铺放铝粉的含量为55％-60％的钛铝混合粉末6；
在中间区域铺放铝粉的含量为40％-55％的钛铝混合粉末6。
可以理解的是，前述含量指质量含量，边缘区域所选用的钛铝混合粉末6的铝粉含量高，可以满足边缘区域需要更高结合韧性和结合强度的需要，中间区域钛粉含量更高可以满足中间区域硬度更高的需求，使得制备的钛钢复合板的结合效果更好。在一些实施例中，边缘区域的宽度应大于或等于2cm，确保边缘区域能提供足够的结合强度，边缘区域的宽度可以小于或等于10cm。
在一些实施例中，钛铝混合粉末6通过球磨机制备并用干燥箱烘干，钛铝混合粉末6中钛粉和铝粉的直径范围在0.05μm-300μm之间，钛铝混合粉末6的铺放厚度在0.05mm-3mm之间。
根据本申请的一些实施例，将轧辊1加热至大于或等于667℃这一步骤中，轧辊1的温度在680℃-850℃之间。680℃-850℃是维持钛铝混合粉末6的自蔓延反应的较为合适的温度，可以通过控制轧辊1的温度以控制自蔓延反应的反应速度。当自蔓延反应的速度较慢时，可以在680℃-850℃内适当提高轧辊1的温度，通过轧辊1向反应系统提供能量，加速自蔓延反应，反之当自蔓延反应的速度较快时，可以适当降低轧辊1的温度，从而将自蔓延反应的速度控制在合适的范围，与轧辊1的轧制速度相协调。
在一些实施例中，将轧辊1加热至大于或等于667℃这一步骤，包括：
向加热区域通入氩气，对加热过程进行保护，氩气的纯度大于或等于99.99％。
氩气属于惰性气体，氩气的通入可以对火焰加热过程进行保护，防止板材发生氧化，限定氩气的纯度能够保证氩气的保护效果。
根据本申请的一些实施例，轧制时钛板7的表面温度控制在667℃-900℃之间，轧辊1的轧制压力在0.5MPa-30MPa之间，轧辊1的轧制速度在1mm/s-100mm/s之间。在一些实施例中，可选用50mm/s的轧制速度，兼顾了钛钢复合板的复合效率以及复合质量。
根据本申请的一些实施例，钢板5的材料采用碳素钢或低合金钢，钢板5的厚度在2mm-50mm之间，钛板7的材料采用工业纯钛，钛板7的厚度在0.1mm-2mm之间。碳素钢或低合金钢有助于提高结合效果，工业纯钛可以选用TA1、TA2、TC4等牌号。由于采用了基于钛铝混合粉末6的自蔓延反应的制备方法，有效降低了钛板7和钢板5的轧制温度和轧制压力，使制备过程中钛板7不易受损，因此能够将钛板7的厚度减小到2mm以下，得到薄复合层的钛钢复合板。
根据本申请的一些实施例，轧制钛板7这一步骤，包括：
轧辊1对钛板7进行一次轧制；
轧辊1相对钛板7移动，轧辊1对钛板7进行下一次轧制；
其中，相邻两次轧制的轧制区域具有重叠区域。
由于钛钢复合板的宽度往往较大，轧辊1无法一次完成整个钛钢复合板的轧制，因此需要进行多次轧制。在多次轧制时，要求相邻两次轧制的轧制区域具有一定的重叠区域，能够避免出现部分区域未被轧辊1轧制到的情况，还可以保证轧制过程中钛钢复合板表面的平整，利于板材的成型。
在一些实施例中，轧辊1相对钛板7移动这一步骤中，轧辊1沿钛板7的宽度方向移动，其中，重叠区域的宽度为钛板的宽度的20％-30％。
下面参考图1、图2以一个具体的实施例详细描述根据本申请提供的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对发明的具体限制。
基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法使用如图1所示的钛钢复合板制备装置，钛钢复合板制备装置包括轧辊1、火焰加热器2、氩气保护装置3和温度控制装置4。
基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法包括以下步骤：
(1)将钢板5固定于钛钢复合板制备装置的工作台上，其中，本实施例所用的钢板5为厚度10mm的Q235钢板，其相关性能满足相应的标准要求；
(2)利用球磨机制备铝粉含量为60％的钛铝混合粉末6，该钛铝混合粉末6中钛粉和铝粉的直径范围在0.5μm-200μm之间，并用干燥箱在100℃下进行烘干，均匀铺放在钢板6的边缘区域；
(3)利用球磨机制备铝粉含量为50％的钛铝混合粉末6，该钛铝混合粉末6中钛粉和铝粉的直径范围在0.5μm-200μm之间，并用干燥箱在100℃下进行烘干，均匀铺放在钢板6的中心区域；
(4)将钛板7放置在钛铝混合粉末6之上，其中，本实施例所用的钛板7为0.5mm的TA1板材，其性能满足相应的标准要求；
(5)将轧辊1以15MPa的压力压在钛板7表面，使得钛板7-钛铝混合粉末6-钢板5之间紧密接触；
(6)打开温度控制装置4监控钛板7表面的温度，打开氩气保护装置3，向钛钢复合板制备装置中通入纯度为99.99％的氩气，通入10min以上后进行下一步骤；
(7)打开火焰加热器2，对轧辊1进行加热，将轧辊1温度加热至667摄氏度以上；
(8)当温度控制装置4监测到钛板7表面温度达到680摄氏度时，轧辊1以及火焰加热器2以50mm/s的轧制速率运动，开始轧制过程；
(9)当温度控制装置4监测到钛板7的表面温度超过900摄氏度时，降低火焰加热器2的输出功率，使钛板7的表面温度降低；当温度控制装置4监测到钛板7的表面温度低于680摄氏度时，增大火焰加热器2的输出功率，使钛板7的表面温度升高；
(10)当轧辊1第一道次热轧制结束之后，首先轧辊1和火焰加热器2复位，随后轧辊1和火焰加热器2相对于钛板7已轧制的区域平移一段距离，进行下一道次热轧制，下一道次热轧制的轧制区域与前一道次的轧制区域具有重叠区域；
(11)重复步骤(5)-步骤(10)，进行多道次热轧制，直至钛板7各处均与钢板5牢固的复合在一起。
根据本申请实施例的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，利用自蔓延反应一经引燃便不需要对其进一步提供能量便可持续进行的特性，为钛钢复合板的制备过程提供足够的热量，降低钛钢结合所需要的温度；钛粉和铝粉的自蔓延反应在燃烧过程中有较大的热梯度和较快的冷凝速度，能够避免钛与铁的结合，减少自蔓延反应中生成钛铁脆性化合物的数量，使钛板7和钢板5的界面形成良好的冶金结合，提高界面的结合强度；基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，可以降低钛板7和钢板5结合所需的轧制压力和温度，有助于制备薄复合层的钛钢复合板。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于，基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法包括以下步骤：
在钢板上铺放钛铝混合粉末；
将钛板放置在所述钛铝混合粉末上；
将轧辊压在所述钛板上；
将所述轧辊加热至大于或等于667℃；
当所述钛板的表面温度大于或等于680℃时，启动所述轧辊，轧制所述钛板，直至所述钛板与所述钢板复合在一起。
2.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于，所述钢板包括边缘区域和中心区域，所述边缘区域由所述钢板的边缘向所述钢板的内侧延伸；
其中，在所述钢板上铺放钛铝混合粉末这一步骤，包括：
在所述边缘区域铺放铝粉含量为55％-60％的所述钛铝混合粉末；
在所述中间区域铺放铝粉含量为40％-55％的所述钛铝混合粉末。
3.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于：所述边缘区域的宽度在2cm-10cm之间。
4.根据权利要求1或2所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于：所述钛铝混合粉末通过球磨机制备并用干燥箱烘干，所述钛铝混合粉末中钛粉和铝粉的直径范围在0.05μm-300μm之间，所述钛铝混合粉末的铺放厚度在0.05mm-3mm之间。
5.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于：将所述轧辊加热至大于或等于667℃这一步骤中，所述轧辊的温度在680℃-850℃之间，控制轧辊的温度以控制自蔓延反应的反应速度。
6.根据权利要求1或5所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于，将所述轧辊加热至大于或等于667℃这一步骤，包括：
向加热区域通入氩气，对加热过程进行保护，所述氩气的纯度大于或等于99.99％。
7.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于：轧制时所述钛板的表面温度控制在667℃-900℃之间，所述轧辊的轧制压力在0.5MPa-30MPa之间，所述轧辊的轧制速度在1mm/s-100mm/s之间。
8.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于：所述钢板的材料采用碳素钢或低合金钢，所述钢板的厚度在2mm-50mm之间，所述钛板的材料采用工业纯钛，所述钛板的厚度在0.1mm-2mm之间。
9.根据权利要求1所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于，轧制所述钛板这一步骤，包括：
所述轧辊对所述钛板进行一次轧制；
所述轧辊相对所述钛板移动，所述轧辊对所述钛板进行下一次轧制；
其中，相邻两次轧制的轧制区域具有重叠区域。
10.根据权利要求9所述的基于钛铝混合中间层的钛钢复合板制备方法，其特征在于，所述轧辊相对所述钛板移动这一步骤中，所述轧辊沿所述钛板的宽度方向移动，其中，所述重叠区域的宽度为所述钛板的宽度的20％-30％。
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