【摘 要】
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层状金属复合板既兼备多种材料的优良性能,又节约稀贵金属材料并降低成本,应用非常广泛。钛/钢复合板是层状金属复合板的一种,其兼具钛的强耐蚀性和钢的低成本性,十分适用于海洋苛刻的腐蚀环境。采用传统爆炸复合法制备钛/钢复合板存在界面结合效率低、环境污染大和产品尺寸小等诸多缺点,不易大规模生产。利用真空热轧复合法制备钛/钢复合板,在解决了环境污染和产品尺寸受限等问题的同时,避免了复合界面氧化严重的缺点,有
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层状金属复合板既兼备多种材料的优良性能,又节约稀贵金属材料并降低成本,应用非常广泛。钛/钢复合板是层状金属复合板的一种,其兼具钛的强耐蚀性和钢的低成本性,十分适用于海洋苛刻的腐蚀环境。采用传统爆炸复合法制备钛/钢复合板存在界面结合效率低、环境污染大和产品尺寸小等诸多缺点,不易大规模生产。利用真空热轧复合法制备钛/钢复合板,在解决了环境污染和产品尺寸受限等问题的同时,避免了复合界面氧化严重的缺点,有效提高了界面结合性能,现已成为宽幅高品质钛/钢复合板生产的重要方法。钛、钢金属间的物理和化学性能差异较大,界面复杂化合物的含量与分布是决定真空热轧复合法生产钛/钢复合板成败的关键。基于此,本文针对不同真空热轧复合工艺的界面化合物生成与演变机理和界面化合物对复合板力学性能的影响进行了深入系统的研究。本论文的主要工作及研究成果如下:（1）为保证钛与钢异种金属间的协调变形和复合界面处于高真空状态,本文设计了钢-钛-钛-钢4层对称组坯方式。为防止钢板焊缝在坯料加热及轧制过程中开裂,本文研究了真空电子束焊接参数对焊缝组织及力学性能的影响,最终确定焊缝的最佳电子束焊接参数是聚焦方式为上聚焦、焊接束流为50 mA和焊接速度为300 mm/min。（2）研究了表面处理、真空度、压下率和加热温度对钛/钢复合板界面组织与力学性能的影响。结果表明,当金属板表面凹凸不平的高度差≤7 μm时,可得到较好的复合板界面组织与力学性能。当界面处于10-2 Pa高真空度时,轧后复合板界面TiC层连续均匀,剪切强度高于国标要求。当总轧制压下率为85%时,界面形成连续均匀的元素扩散区域,界面结合良好。当加热温度为850℃时,界面TiC层厚度适中且连续均匀,有效提高了复合板的力学性能。（3）研究了金属铌和镍夹层对钛/钢复合界面组织结构演变与力学性能的影响。结果表明,在850～900℃加热温度区间内,铌夹层良好隔绝Ti、Fe和C元素扩散,抑制TiC和TiFe2脆性化合物形成。加热温度为950℃时,铌夹层无法抑制元素扩散,界面处形成不均匀分布的TiC,复合板力学性能下降。在850～900℃加热温度区间内,镍夹层可有效抑制Ti、Fe和C元素扩散,界面结合良好。加热温度为950℃时,Ti2Ni液相不均匀分布于界面,镍夹层无法有效抑制元素扩散,界面形成TiC和TiFe2脆性化合物,复合板的力学性能受到严重影响。（4）对钛/钢复合板的界面结合机理与化合物控制进行了系统的分析与研究。探索出钛/钢复合板的界面结合机制是界面生成反应产物的一种特殊结合机制,界面结合机制满足反应结合的特性,界面结构属于有界面反应产物的微结构类型。钛、钢两种金属是依靠生成界面反应产物形成牢固的冶金结合,界面反应产物的含量、分布和最终形态直接影响成品钛/钢复合板界面结合性能。对钛/钢复合板进行退火工艺处理,发现复合界面TiC层厚度随退火温度的升高和退火时间的延长而增加。根据阿伦尼乌斯公式,利用实验数据拟合,推导出钛/钢复合板界面化合物TiC的生长动力学方程为W=[3.53 × 10-12 exp（-74826/RT）t]1/2。（5）以实验室研究结果为基础,在南钢宽厚板厂进行了钛/钢复合板工业化试制,热轧过程顺利,板形质量良好,制备出宽幅超过3500 mm的钛/钢复合板。对复合板分别进行剪切、弯曲、拉伸和冲击等性能检测,试制钛/钢复合板满足各项性能要求。与国外不同生产厂家的钛/钢复合板进行性能对比,工业化试制的钛/钢复合板产品尺寸和力学性能均优于国外生产厂家的复合板,并成功应用于海洋网箱养殖领域。
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