以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鈦鋼復合板制備加工領域，具體涉及一種以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法。
【背景技術】
[0002]鈦具有良好的物理、化學性能與機械性能，但其冶煉技術復雜，生產成本高，因此鈦的價格很貴，很大程度限制了鈦的推廣及應用。將鈦與其它金屬(如鋼、銅、鋁等)復合在一起，制成金屬復合材料，既可以發揮鈦的優異性能，又可大大降低成本，因而近年來對類似材料的研宄很多，其中鈦-鋼復合材料以其高強度、優異的耐蝕性能和顯著的經濟效益而被廣泛的應用于化工、石油等工業部門。
[0003]目前，鈦-鋼復合板的生產方式主要有四種:爆炸復合法、擴散復合法、爆炸-軋制和直接軋制法。直接軋制法是目前的發展趨勢，相比其余3種生產方式，具有產品尺寸規格靈活，性能穩定，易實現機械化、自動化作業等優點。直接軋制法最初將鈦板(復合材)與鋼板(基材)以嵌入式的板坯組裝。這時，在鈦板與鋼材之間放入合適的中間嵌入材，再在高真空下采用電子束焊接。最后放入加熱爐加熱后，在厚板軋機上強壓軋到所要求的厚度，這樣鈦板與鋼板則真正接合了。最后將外圍切割，分離為2張板。
[0004]由于鈦的金屬性活潑，與多數金屬連接時將在界面上形成脆性相。由鈦-鐵二元相圖可知，鐵與鈦極易生成金屬間化合物，如TiFe、TiFe2等，由于金屬間化合物具有較大的脆性使結合界面脆化，在應力的作用下容易導致開裂，使結合強度下降。鈦在溫度為1155K時發生相變，高溫時以體心立方晶格β -Ti形式存在，溫度較低時為密排立方晶格的α-T1鐵在α-Ti中的固溶度很小，在室溫下僅為0.05%?0.1%，在共析溫度下不超過0.5%。鐵是β-Ti穩定元素，在β-Ti中的固溶度比在a-Ti中的大，在共晶溫度1355K時，鐵在β-Ti中的固溶度達到最大值25%。在β-Ti中固溶了鐵之后，可以使其相變點溫度降低，當β -Ti中鐵含量達到一定值時，β -Ti將會被保留至室溫，隨著β -Ti中鐵含量的進一步增高，在冷卻過程中，將會造成鐵在鈦中的過飽和，進而超過其在鈦中的固溶度而形成金屬間化合物。減少化合物生成的主要方法是在鈦與鋼之間插入適當的金屬做中間層，進而阻止鈦、鐵等元素的相互擴散。
[0005]申請號為“CN101992344A”，發明名稱為“一種鈦-鋼復合板的制備方法”公開了一種以長、寬尺寸相等的鈦板和鋼板，除去銹層和氧化層，然后相對重合制成復合坯料，再將復合坯料四周用鈦板側封，用夾具夾緊組合坯料后在真空室內抽真空，使真空度達到10_2MPa時，經組合坯料四周焊合，再在加熱爐內加熱到600?1200°C下保溫0.1?2h，最后在550?1150°C下軋制，乳制速度0.3?2m/s，總壓下量> 30%，首次壓下率> 5%，得到鈦-鋼復合板的技術方案。此工藝方法是以鈦-鋼為原材的復合板，在加熱過程中，由于鈦的金屬性活潑，鐵與鈦極易生成金屬間化合物，由于金屬間化合物具有較大的脆性使結合界面脆化，在應力的作用下容易導致開裂，使結合強度下降。
[0006]申請號為“201410446843.4”，發明名稱為“一種制造鈦鋼復合板的方法”，具體公開了采用電鍍或化學鍍方法在鋼板或鋼坯的待復合的表面上鍍覆鎳、銅或純鐵來形成鍍層，從而提高界面的結合強度。采用該方法能夠在一定程度上提高界面結合強度，但是，由于鍍層較薄，高溫或長時間加熱條件下鈦、鐵等元素可以穿透鍍層，在界面形成脆性化合物，不能起到阻止元素相互擴散的目的；同時，由于鍍層金屬沒有良好的延展性，在軋制過程中，會引起界面狀態不均勻的問題，導致采用該方法制備的鈦鋼復合板產品質量無法得到很好的保障。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，以防止鈦鋼復合板制備過程中界面上鈦/鐵化合物的生成，同時利用鈦與銅在加熱過程中生成液相化合物，在隨后的軋制過程中將液相擠出，獲得潔凈、活化的新生面，從而實現鈦鋼界面的良好結合的目的。
[0008]為了實現上述目的，本發明提供一種以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，包括以下步驟:
[0009]a、組坯:按照鋼板/鈦板/銅箔/鋼板的順序進行對稱組坯，然后將坯料四周焊合，坯料內部進行抽真空處理，得到組合坯料；其中，在鋼板與鈦板的相鄰面涂覆隔離劑，所述銅箔的厚度為0.3?0.8mm ；
[0010]b、加熱:將組合坯料在980?1050°C加熱2?6h ;
[0011]c、軋制:將加熱后的組合坯料進行至少兩道次的軋制，其中，開軋溫度950°C，終軋溫度為600?700 °C ;前兩道次變形量> 20 %，乳制總變形量為彡80 %，乳制速度為0.1 ?lm/s ；
[0012]d、精整:空冷至室溫，分離涂覆隔離劑的鈦鋼界面，得到鈦鋼復合板。
[0013]進一步的，為了使反應過程中鈦鋼復合板結合強度更高，所述銅箔的厚度優選為0.5mm,在加熱反應時，銅箔與鈦板反應生成了鈦銅化合物，在900 °C左右的高溫下，已經融化成液體，在后面的軋制過程中被擠出，從而達到鈦、鋼界面的新生。
[0014]上述所述的以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，在a步驟之前還需進行表面處理步驟，所述表面處理的方法為:對鋼板及鈦板的表面進行磨拋處理，以去除表面污物和氧化層，減少界面對結合強度的影響。
[0015]其中，上述所述隔離劑為本領域技術人員常用的隔離劑，通常采用具有高溫穩定性的氧化物，如Al2O3, S12，陶瓷材料、滑石粉等。主要起隔離不需要復合的鈦鋼界面的作用，達到軋制后可以分離鈦鋼界面的目的。
[0016]進一步的，a步驟所述的真空處理的真空度必須< 10_2Pa，以保證結合界面不受空氣中的氧、氮等元素的影響。
[0017]進一步的，上述所述的以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，作為優選的方案，b步驟所述的加熱溫度為1000°C，加熱時間5h ;c步驟軋制時，首道次變形25%，經過10道次軋制，累計變形量為95%，乳制速度0.2m/s，終軋溫度為640 °C。
[0018]上述所述的以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，a步驟的組坯方法具體為:
[0019]①準備兩塊規格相同的鋼板、一塊鈦板、一塊銅箔、四塊側板，其中，所述側板材質與鋼板相同；
[0020]②側板處理:在四塊側板中的至少一塊上開孔，并在開孔處焊接一根無縫碳鋼管；
[0021 ] ③焊接:在鋼板與鈦板的相鄰面涂覆隔離劑，按照鋼板/鈦板/銅箔/鋼板的順序進行對稱組坯，將側板設置在鈦板四周，且位于兩塊鋼板之間，將鋼板與側板之間的縫隙以及側板與側板之間的間隙進行焊接，使其成為一個組合體；
[0022]④抽真空:焊接完成后，通過無縫碳鋼管與真空泵連接，對組合體內部抽真空后，將無縫碳鋼管密封，得到組合坯料。
[0023]其中，上述所述的無縫碳鋼管壁厚> 2mm。
[0024]進一步的，上述所述側板處理是指在四塊側板中的任意一塊上開孔。
[0025]其中，所述鋼板和鈦板的尺寸規格沒有特殊要求，本領域技術人員在實施過程中，可以根據實際生產應用的需要，而調整鈦板和鋼板的尺寸規格，達到生產應用的目的。
[0026]本發明以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，工藝簡單，加入中間板一銅板，可以和鈦在高溫下反應，生成的液相經過軋制擠出時，帶出鈦板和鋼板表面的雜質和氧化物，就可以獲得潔凈、活化的新生面，輕松解決鈦鋼復合板制備過程中界面氧化的問題，消除了界面氧化對結合強度的影響，同時，經過分步軋制，比起傳統的一步軋制，可以大大提高軋制的效率，最終實現鈦鋼界面的良好結合。軋制后獲得的鈦鋼復合板板型良好，表面無明顯缺陷形成，結合界面無鈦/鐵化合物的生成，結合效果良好，結合強度多260MPa，遠高于國家標準中同類鈦鋼復合板的結合強度。
【具體實施方式】
[0027]本發明提供一種以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，包括以下步驟:
[0028]a、組坯:按照鋼板/鈦板/銅箔/鋼板的順序進行對稱組坯，然后將坯料四周焊合，坯料內部進行抽真空處理，得到組合坯料；其中，在鋼板與鈦板的相鄰面涂覆隔離劑，所述銅箔的厚度為0.3?0.8mm ；
[0029]b、加熱:將組合坯料在980?1050°C加熱2?6h ;
[0030]c、軋制:將加熱后的組合坯料進行至少兩道次的軋制，其中，開軋溫度950°C，終軋溫度為600?700 °C ;前兩道次變形量> 20 %，乳制總變形量為彡80 %，乳制速度為0.1 ?lm/s ；
[0031]d、精整:空冷至室溫，分離涂覆隔離劑的鈦鋼界面，得到鈦鋼復合板。
[0032]進一步的，為了使反應過程中鈦鋼復合板結合強度更高，所述銅箔的厚度優選為0.5mm,在加熱反應時，銅箔與鈦板反應生成了鈦銅化合物，在900 °C左右的高溫下，已經融化成液體，在后面的軋制過程中被擠出，從而達到鈦、鋼界面的新生。
[0033]上述所述的以銅為中間層鈦鋼復合板的高溫制備方法，在a步驟之前還需進行表面處理步驟，所述表面處理的方法為:對鋼板及鈦板的表面進行磨拋處理，以去除表面污物和氧化層，減少界面對結合強度的影響。
[0034]其中，上述所述隔離劑為本領域技術人員常用的隔離劑，通常采用具有高溫穩定性的氧化物，如Al2O3, S12，陶瓷材料、滑石粉等。主要起隔離不需要復合的鈦鋼界面的作用，達到軋制后可以分離鈦鋼界面的目的。
[0035]進一步的，a步驟所述的真空處理的真空度必須< 10_2