CN108326516A - 一种钛钢复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛钢复合板的制备方法，通过坯料准备、表面处理、隔离剂涂刷、对称组坯、电子束封焊、加热、轧制、矫直及切割分板等工序制备出高结合性能的钛钢复合板。通过组坯过程在钛与钢待复合界面上添加叠片，使复合坯中钛与钢不能充分接触，阻隔其在加热过程元素的相互扩散，从而控制界面碳化物及金属间化合物等脆性相生成，随后通过大压下量轧制，破坏界面氧化膜，实现钛钢新结合界面形成及充分冶金结合，加上轧后快速冷却，抑制脆性相再次形成，从而制备出无脆性相的高结合性能的钛钢复合板。与添加中间层镍箔或铜箔相比，本发明操作更简单，生产成本更低，且结合性能高。

Description

一种钛钢复合板的制备方法
技术领域
本发明属于双金属复合制造技术领域，涉及复合板的制备，具体涉及一种钛钢复合板的制备方法。
背景技术
钛具有显著优良的耐蚀性，在大部分的腐蚀环境中，其耐蚀性超过了不锈钢，因此，在化工装置、压力容器、热交换器、海上作业平台及航空航天等领域都有广泛应用。但是钛价格昂贵，增加了设备制造的材料成本，这限制了钛的使用。而钛钢复合板兼具钛优异的耐蚀性及钢的强韧性，且大幅度降低了钛的使用量，节约成本，具有很高经济价值及良好的应用前景。
目前，钛钢复合板的主要制备方法有***复合法、***-轧制复合法及真空轧制复合法。而***复合法存在噪声污染及环境污染，且受天气影响较大，生产效率低，不是一种绿色、环保、可持续的生产方式。而真空轧制复合法是通过真空焊接组坯，经加热、轧制使基材和覆材实现良好冶金结合的生产工艺，具有较高的生产效率、低污染、低能耗且可生产宽幅规格的金属复合板。因此，采用真空轧制复合法生产钛钢复合板将是未来发展的趋势。
然而采用真空轧制法制备钛钢复合板时，由于钛与钢在高温下存在严重界面反应，若将钛与钢直接进行轧制复合，复合界面容易生产Ti-Fe金属间化合物、TiC等脆性相，极大地影响钛钢复合板的结合性能。为了抑制界面脆性相生成，通常在钛与钢之间添加镍箔或铜箔等中间层，以阻隔Ti与C或Ti与Fe的结合，从而增强钛钢复合界面的结合强度。如公开专利201510249152.X《以镍为中间层的钛钢复合板的高温制备方法》和201510247275.X《高结合强度的钛钢复合板的制备方法》均添加了镍箔作中间层来轧制钛钢复合板，以获得良好结合性能的钛钢复合板。但是，添加中间层不仅使生产工艺变得繁琐，还增加生产成本。因此，有必要寻找一种合适的生产工艺来制备高结合性能的钛钢复合板。
发明内容
发明目的：为了解决现有采用真空轧制法制备钛钢复合板时产生的严重界面反应影响复合板的结合性能，本发明提供了一种钛钢复合板的制备方法。
技术方案：本发明所述一种钛钢复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将基材和覆材坯料的待复合面进行表面处理；
(2)将步骤(1)得到的覆材非复合面涂刷隔离剂，烘干；
(3)选取步骤(1)得到的一块基材作为下坯，所述下坯待复合面的四周边用封条点焊固定，围成一个槽，在槽内下坯待复合面上点焊固定若干个叠片，然后将步骤(2)得到的两块覆材的非复合面叠合放置在槽内，再将步骤(1)得到的另一块基材作为上坯，上坯待复合面上点焊固定若干个叠片，将上坯待复合面朝下盖在两块覆材上，确保上下坯的四周边外边缘与所述封条外边缘平齐，形成对称组合坯料；
(4)在真空环境下，将步骤(3)得到的对称组合坯料进行焊接；
(5)将步骤(4)得到的对称组合坯料加热；
(6)将步骤(5)得到的对称组合坯料进行热轧制和冷却；
(7)将步骤(6)得到的对称组合坯料进行矫直与冷却、切割分板，即得钛钢复合板。
步骤(1)中，所述基材为为碳素钢或低合金高强钢，所述覆材为工业纯钛，如TA1、TA2，其成分及性能满足对应标准要求；所述表面处理方法为砂带打磨或铣床加工，表面处理的目的是清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属。
步骤(2)中，所述隔离剂主要成分为MgO粉末。
步骤(3)中，所述封条的成分与所述基材一致，所述封条的宽度为30～60mm，所述封条的高度为两块叠合钛板厚度和两层叠片的厚度之和；所述封条与上坯和下坯的焊接深度均为30～60mm，以提供足够的焊缝强度确保复合坯轧制过程不开裂。优选地，所述封条的宽度为35～55mm。
步骤(3)中所述叠片的成分与所述基材一致，所述叠片为圆形叠片，所述叠片的直径为10～30mm，厚度为0.5～2mm；所述下坯待复合面上和上坯待复合面上的叠片放置方式相同，均为每隔0.5～1.5m放置一个叠片；优选地，所述下坯待复合面上的叠片位置与上坯待复合面上的叠片位置一一对应，防止组合压坯过程钛板变形，保证钛板与基材待复合面隔离，同时点焊后需打磨清理点焊引起的氧化层及焊渣，确保待复合面清洁干净。优选地，叠片的厚度为1～2mm。
步骤(4)中采用真空电子束焊接方法进行焊接，焊接时真空度小于5×10-2Pa；通过焊接将对称组合坯料的上坯和下坯与封条、封条与封条的缝隙进行焊合。焊接深度均为30～60mm。
步骤(5)中所述加热温度为850～930℃，加热时间根据对称组合坯厚度按10～30min/cm进行控制。优选地，加热温度为880～910℃。
步骤(6)中采用常规轧制及轧后快速冷却方式，除鳞箱不除鳞，轧制首道次除鳞；轧制后高速抛钢。所述热轧制的终轧温度≥700℃，采用大压下量轧制，轧制总压下率≥80％，其中单道次最大压下率≥20％。所述冷却为快速冷却或空气自然冷却，所述快速冷却以2～20℃/s速度进行冷却，返红温度控制在400～700℃；当轧制总厚度＞16mm时，采用快速冷却；当轧制总厚度≤16mm时，采用快速冷却或空气自然冷却。
步骤(7)中所述矫直与冷却步骤如下：对轧制后的复合板进行矫直处理，矫直后上冷床冷却，待表面温度降至300℃以下时即可下线；所述切割分板步骤如下：采用等离子方式对复合板进行切头、尾及两边后，上下两张单面复合板分离，再对单面复合板进行矫直处理，经表面打磨、性能检测、打包处理后，最终获得所需规格的钛钢复合板产品。所述钛钢复合板产品的总厚度为6～60mm，其中覆材厚度为0.5～5mm。
有益效果：
(1)本发明采用组坯过程中钛与钢之间添加叠片的方式，使钛与钢加热过程完全隔离，阻隔其在加热过程元素的相互扩散，有效地防止了界面TiC和TiFe等脆性相的生成；通过大压下轧制，破坏界面氧化膜，形成新结合界面，同时采用轧后快速冷却，防止脆性相再次形成，从而获得高结合性能的钛钢复合板。
(2)本发明在真空室环境下直接封焊，减少了传统工艺的埋弧封焊、钻孔、抽真空等工序，有效地防止埋弧封焊对待复合面的氧化，同时真空度更有保障。
(3)本发明通过在钛与钢复合面之间添加叠片，有效地阻隔了钛钢复合板界面脆性相的生成，与添加中间层镍箔或铜箔相比，操作更简单，生产成本更低，同样能获得高结合性能钛钢复合板产品。
附图说明
图1为叠片在基材坯料待复合面上放置的示意图，其中1为基材坯料，2为叠片；
图2为实施例2的钛钢复合板界面显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例选择基材坯料厚度66mm的Q235B钢种，覆材坯料厚度为6mm的工业纯钛TA2，轧制成品厚度为0.5+5.5mm的TA2/Q235B复合板。
Ⅰ、表面处理：对两块Q235B基材坯料和两块TA2覆材坯料的待复合面进行打磨，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属。
Ⅱ、隔离剂涂刷：对覆材未打磨表面涂刷隔离剂，然后将隔离剂烘干。
Ⅲ、对称组合坯料：选其中一块基材作为下坯，在其待复合面的四周边用封条点焊固定，封条宽度为30mm，厚度为13mm，在封条围成的槽内基材待复合面上每隔0.5米(见图1的箭头距离)放置一个圆形叠片，叠片尺寸为φ10×0.5mm，并用点焊方式将叠片固定在下坯待复合面上；然后将两块覆材非复合面叠合，放置在槽内。再将另一块基材作为上坯，在与下坯对称的待复合面同样位置点焊叠片，然后将上坯待复合面朝下，盖在两块叠合覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，这样即组成一个待封焊的复合坯。
Ⅵ、电子束封焊：将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到3×10-2Pa时，采用电子束将封条与基材之间的缝隙进行焊接，上坯和下坯的焊接深度均为30mm，这样即得到总厚度为145mm复合坯。
Ⅴ、加热：将复合坯送至步进式加热炉加热，加热温度900℃，加热总时间240min。
Ⅵ、轧制与冷却：采用常规方式轧制，除鳞箱不除鳞，轧制首道次除鳞。轧制总压下率为91.7％，道次最大压下率为28％，终轧温度控制720℃左右，最终轧制厚度为12mm，轧后采用空气自然冷却。
Ⅶ、矫直与切割分板：经矫直后上冷床冷却，待表面温度降至300℃下线。经切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，再对单层复合板进行矫直处理，然后对覆材表面打磨，最终获得成品厚度0.5+5.5mm的TA2/Q235B复合板产品。
经检测，TA2/Q235B复合板的剪切强度在272MPa左右，具有很高的结合性能。
实施例2
本实施例选择基材坯料厚度100mm的Q345B钢种，覆材坯料厚度为10mm的TA2工业纯钛板，轧制成品厚度为2+20mm的TA2/Q345B复合板。
Ⅰ、表面处理：对两块Q345B基材坯料和两块TA2覆材坯料的待复合面进行打磨，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属。
Ⅱ、隔离剂涂刷：对覆材未打磨表面涂刷隔离剂，然后将隔离剂烘干。
Ⅲ、对称组合坯料：选其中一块基材作为下坯，在其待复合面的四周边用封条点焊固定，封条宽度为45mm，厚度为23mm，在封条围成的槽内基材待复合面上每隔0.8米放置一个圆形叠片，叠片尺寸为φ20×1.5mm，并用点焊方式将叠片固定在下坯待复合面上；然后将两块覆材非复合面叠合，放置在槽内。再将另一块基材作为上坯，在与下坯对称的待复合面同样位置点焊叠片，然后将上坯待复合面朝下，盖在两块叠合覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，这样即组成一个待封焊的复合坯。
Ⅵ、电子束封焊：将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到4×10-2Pa时，采用电子束将封条与基材之间的缝隙进行焊接，上坯和下坯的焊接深度均为45mm，这样即得到总厚度为223mm复合坯。
Ⅴ、加热：将复合坯送至步进式加热炉加热，加热温度850℃，加热总时间360min。
Ⅵ、轧制与冷却：采用常规方式轧制，除鳞箱不除鳞，轧制首道次除鳞。轧制总压下率为80.3％，道次最大压下率为25％，终轧温度控制790℃左右，最终轧制厚度为44mm。轧后高速抛钢，复合板快速进入超快冷进行冷却，冷却速度为4℃/s，返红温度在650℃。
Ⅶ、矫直与切割分板：然后经矫直后上冷床冷却，待表面温度降至300℃下线。经切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，再对单层复合板进行矫直处理，然后对覆材表面打磨，最终获得成品厚度2+20mm的TA2/Q345B复合板产品。
经检测，添加叠片组坯的TA2/Q345B复合板的剪切强度在252MPa左右，具有很高的结合性能，而根据对比例1可知，添加中间层镍箔的同厚度TA2/Q345B复合板的剪切强度也只有243MPa，如表1所示。可见，添加叠片能有效阻隔钛钢界面反应，获得很高的剪切强度。TA2/Q345B钛钢复合板的界面显微组织图如图2所示，钛与钢之间未发现未结合区域，复合板实现良好的冶金结合。
实施例3
本实施例选择基材坯料厚度275mm的Q370R钢种，覆材坯料厚度为25mm的TA1工业纯钛，轧制成品厚度为5+55mm的TA1/Q370R复合板。
Ⅰ、表面处理：对两块Q370R基材坯料和两块TA1覆材坯料的待复合面进行打磨，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属。
Ⅱ、隔离剂涂刷：对覆材未打磨表面涂刷隔离剂，然后将隔离剂烘干。
Ⅲ、对称组合坯料：选其中一块基材作为下坯，在其待复合面的四周边用封条点焊固定，封条宽度为60mm，厚度为54mm，在封条围成的槽内基材待复合面上每隔1.5米放置一个圆形叠片，叠片尺寸为φ30×2.0mm，并用点焊方式将叠片固定在下坯待复合面上；然后将两块覆材非复合面叠合，放置在槽内。再将另一块基材作为上坯，在与下坯对称的待复合面同样位置点焊叠片，然后将上坯待复合面朝下，盖在两块叠合覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，这样即组成一个待封焊的复合坯。
Ⅵ、电子束封焊：将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到5×10-2Pa时，采用电子束将封条与基材之间的缝隙进行焊接，上坯和下坯的焊接深度均为60mm，这样即得到总厚度为604mm复合坯。
Ⅴ、加热：将复合坯送至台车炉加热，加热温度880℃，加热总时间820min。
Ⅵ、轧制与冷却：采用常规方式轧制，除鳞箱不除鳞，轧制首道次除鳞。轧制总压下率为80.1％，道次最大压下率为22％，最终轧制厚度为120mm，终轧温度控制810℃左右。轧后高速抛钢，复合板快速进入超快冷进行冷却，冷却速度为6℃/s，返红温度在630℃。
Ⅶ、矫直与切割分板：然后经矫直后上冷床冷却，待表面温度降至300℃下线。经切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，再对单层复合板进行矫直处理，然后对覆材表面打磨，最终获得成品厚度5+55mm的TA1/Q370R复合板产品。
经检测，TA1/Q370R复合板的剪切强度在232MPa左右，在大厚度复合板中仍具有很高的结合性能。
实施例4
本实施例选择基材坯料厚度98mm的X70钢种，覆材坯料厚度为14mm的TA1工业纯钛板，轧制成品厚度为2+14mm的TA1/X70管线用钛钢复合板。
Ⅰ、表面处理：对两块X70基材坯料和两块TA1覆材坯料的待复合面进行打磨，清除坯料表面的锈层及氧化层，使表面完全露出新鲜金属。
Ⅱ、隔离剂涂刷：对覆材未打磨表面涂刷隔离剂，然后将隔离剂烘干。
Ⅲ、对称组合坯料：选其中一块基材作为下坯，在其待复合面的四周边用封条点焊固定，封条宽度为40mm，厚度为30mm，在封条围成的槽内基材待复合面上每隔0.5米放置一个圆形叠片，叠片尺寸为φ10×1.0mm，并用点焊方式将叠片固定在下坯待复合面上；然后将两块覆材非复合面叠合，放置在槽内。再将另一块基材作为上坯，在与下坯对称的待复合面同样位置点焊叠片，然后将上坯待复合面朝下，盖在两块叠合覆材的上面，确保上下基材四侧边与封条外边平齐，这样即组成一个待封焊的复合坯。
Ⅵ、电子束封焊：将组好的复合坯送至真空室，然后对真空室抽真空，待真空室真空度达到3×10-2Pa时，采用电子束将封条与基材之间的缝隙进行焊接，上坯和下坯的焊接深度均为40mm，这样即得到总厚度为226mm复合坯。
Ⅴ、加热：将复合坯送至步进式炉加热，加热温度930℃，加热总时间350min。
Ⅵ、轧制与冷却：采用常规方式轧制，除鳞箱不除鳞，轧制首道次除鳞。轧制总压下率为85.8％，道次最大压下率为27％，最终轧制厚度为32mm，终轧温度控制800℃左右。轧后高速抛钢，复合板快速进入超快冷进行冷却，冷却速度为20℃/s，返红温度在400℃。
Ⅶ、矫直与切割分板：然后经矫直后上冷床冷却，待表面温度降至300℃下线。经切头、尾及切两边后，上下两张单层复合板分离，再对单层复合板进行矫直处理，然后对覆材表面打磨，最终获得成品厚度2+14mm的TA1/X70管线用钛钢复合板产品。
经检测，TA1/X70复合板的剪切强度在268MPa左右，具有很高的结合性能。
对比例1
制备方法同实施例2，不同的是步骤Ⅲ中对称组合坯料时不添加叠片，而是选用添加中间层镍箔，具体过程如下：首先另外准备两张与覆材长宽尺寸一致，厚度为0.5mm的镍箔，清理镍箔上下表面的氧化层，保证上下表面洁净。选其中一块基材作为下坯，在其待复合面的四周边用封条点焊固定，封条宽度为45mm，厚度为21mm，在封条围成的槽内基材待复合面上放置其中一张镍箔；然后将两块覆材非复合面叠合，放置在槽内镍箔上面，再在两块叠合覆材上放置另一张镍箔。然后将另一块基材作为上坯，将上坯待复合面朝下，盖在镍箔上，同时确保上下基材四侧边与封条外边平齐，这样即组成一个待封焊的复合坯。经步骤Ⅵ电子束封焊，即得到总厚度为221mm复合坯。然后再经加热、轧制与冷却、矫直与切割分板，即可获得添加中间层镍箔的2+20mm厚度的TA2/Q345B复合板，经检测，其剪切强度为243MPa，见表1所示。
对比例2
制备方法同实施例2，不同的是步骤Ⅲ中对称组合坯料时采用直接组坯，既不添加叠片，也不添加中间层，所制备厚度2+20mm的TA2/Q345B复合板。经检测，直接组坯的钛钢复合板TA2/Q345B，其剪切强度只有178MPa，见表1所示。
由表1数据对比可知，通过添加叠片，能制备高结合性能的钛钢复合板，其剪切强度与添加中间层镍箔的剪切强度相当，且远远超过直接组坯制备的钛钢复合板的剪切强度。但通过添加叠片组坯，工艺简单，成本低廉；而添加中间层镍箔，镍箔价格昂贵，而且清理镍箔上下表面操作繁琐，成本很高。
表1添加叠片、添加中间层镍箔及直接组坯制备的钛钢复合板剪切强度对比
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种钛钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将基材和覆材坯料的待复合面进行表面处理；
(2)将步骤(1)得到的覆材非复合面涂刷隔离剂，烘干；
(3)选取步骤(1)得到的一块基材作为下坯，所述下坯待复合面的四周边用封条点焊固定，围成一个槽，在槽内下坯待复合面上点焊固定若干个叠片，然后将步骤(2)得到的两块覆材的非复合面叠合放置在槽内，再将步骤(1)得到的另一块基材作为上坯，上坯待复合面上点焊固定若干个叠片，将上坯待复合面朝下盖在两块覆材上，确保上下坯的四周边外边缘与所述封条外边缘平齐，形成对称组合坯料；
(4)在真空环境下，将步骤(3)得到的对称组合坯料进行焊接；
(5)将步骤(4)得到的对称组合坯料加热；
(6)将步骤(5)得到的对称组合坯料进行热轧制和冷却；
(7)将步骤(6)得到的对称组合坯料进行矫直、切割分板，即得钛钢复合板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述基材为碳素钢或低合金高强钢，所述覆材为工业纯钛；所述表面处理方法为砂带打磨或铣床加工。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述隔离剂主要成分为MgO粉末。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述封条的成分与所述基材一致，所述封条的宽度为30～60mm，所述封条的高度为两块叠合覆材厚度和两层叠片的厚度之和。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述叠片的成分与所述基材一致，所述叠片为圆形叠片，所述叠片的直径为10～30mm，厚度为0.5～2mm；所述下坯待复合面上和上坯待复合面上的叠片放置方式相同，均为每隔0.5～1.5m放置一个叠片。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用真空电子束焊接方法将对称组合坯料的上坯和下坯与封条、封条与封条的缝隙进行焊合，焊接深度均为30～60mm，焊接时真空度小于5×10-2Pa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述加热温度为850～930℃，加热时间根据组合坯料厚度按10～30min/cm进行控制。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述热轧制的终轧温度≥700℃，轧制总压下率≥80％，其中单道次最大压下率≥20％。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述冷却为快速冷却或空气自然冷却；所述快速冷却以2～20℃/s速度进行冷却，返红温度控制在400～700℃；当轧制总厚度＞16mm时，采用快速冷却；当轧制总厚度≤16mm时，采用快速冷却或空气自然冷却。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述钛钢复合板的总厚度为6～60mm，其中覆材厚度为0.5～5mm。
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