真空制坯热轧复合法制备钛/钢复合板的组织与性能研究

摘要

钛及钛合金具有优良的耐腐蚀性能，但是成本较高，Q345R钢是常用的结构材料，具有良好的综合性能，且成本较低。钛/钢复合板集成了钛层优良的耐蚀性能和碳钢层的高强度和塑性，可以适应大部分钛合金的工作环境并且拥有比钛合金更好的强度和塑性，最重要的是成本大幅下降。随着中国钛/钢复合板制造技术的逐步提高及生产工艺的不断改进，钛/钢复合板的应用范围将会越来越广，在复合材料中所占比例越来越重要。目前国内主要采用爆炸复合方式生产钛/钢复合板，效率低，污染大;而真空制坯热轧复合法有着生产效率高、环境污染小、界面结合强度高等诸多优点，在国际上已经成为了钛钢复合板的主流生产方法。因此，国内急需研究、完善中国自主知识产权的真空制坯热轧复合法制备钛钢复合板的技术。 本文对不同工艺的真空制坯热轧复合方法生产钛/钢复合板的组织与性能进行了研究，选择无夹层、添加Fe夹层热轧复合和添加Ni夹层热轧复合三种方案，分别研究不同表面处理方式、不同轧制温度下钛/钢复合板的组织与性能，并对钛在外侧包覆钛/钢复合板进行了组织与性能的研究，得出如下结论: (1)钛与钢无夹层真空制坯热轧复合时，不同的表面处理方式下表面微观组织差异较大。采用带水砂带机处理的表面无明显凹凸，平直度较好，氧化物处理较干净，界面结合强度最高，850℃下平均剪切强度可以达到239MPa。 (2)钛钢界面生成的TiC层可以有效减少界面脆性金属化合物和Ti-Fe脆性化合物的生成，因此连续均匀一定厚度的TiC层可以提升界面的结合强度。β-Ti具有良好的强韧性，是理想的界面生成物，β-Ti及TiC随温度升高而增多，但是温度升高界面的金属氧化物也同时增多，影响界面结合强度。900℃轧制时界面的结合强度最高，平均剪切强度可以达到268MPa。钛/钢复合板的断裂几乎全部为脆性断裂，断口的撕裂状形貌越明显，剪切的强度越高。 (3)真空制坯热轧复合加入Fe夹层时并没有显著提升界面的力学性能，界面的结合强度小幅增长。加入Fe夹层有效抑制了C元素的扩散，断口出现少量韧窝，断裂为脆性断裂和韧性断裂。加入Ni夹层进行真空制坯热轧复合时，Ti和Ni生成脆性的金属化合物，极大降低了界面的结合强度。 (4)钛在外侧包覆钛/钢复合板强度低于钢在外侧包覆钛/钢复合板，界面密封性较差导致界面结合强度较低，并且强度随着温度的升高而明显下降。钛在焊接时内部出现了气孔、咬边等问题导致界面密封性较差。防止钛产生焊接气孔及咬边可以适当减少焊接速度，控制焊接电流，保证焊接热输入量不能过大。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2钛/钢复合板的生产方法

1．2．1爆炸复合法

1．2．2扩散焊接复合法

1．2．3真空制坯热轧复合法

1．3电子束焊接的基本原理与工艺

1．3．1电子束焊接的特点

1．3．2电子束焊接的基本原理

1．3．3电子束焊接参数对焊缝成形的影响

1．4真空制坯热轧复合法制备钛/钢复合板的研究现状

1．5本论文的研究背景、意义及研究内容

2．1实验材料

2．2实验方案

第3章真空制坯热轧复合无夹层钛/钢复合板的组织与性能研究

3．1钛与Q345R钢无夹层真空制坯热轧复合可行性分析

3．2薄钛板焊接参数的确定

3．3表面处理方式对钛/钢复合板的组织及性能影响

3．3．1不同表面处理方式的微观形貌

3．3．2结合界面分析

3．3．3剪切强度及剪切断口分析

3．4加热温度对钛/钢复合板的组织及性能影响

3．4．1结合界面分析

3．4．2剪切强度及剪切断口分析

3．5本章小结

第4章夹层对钛/钢复合板组织及性能影响

4．1添加Fe夹层的爆炸-轧制复合

4．2添加Fe夹层的真空复合轧制

4．2．1结合界面分析

4．2．2剪切强度及剪切断口分析

4．3添加Ni夹层的真空复合轧制

4．3．1 Ni夹层可用性分析

4．3．2结合界面分析

4．3．3剪切强度及剪切断口分析

4．4本章小结

第5章钛在外侧包覆钛/钢复合板的组织及性能研究

5．1钛的焊接性能分析

5．2钛在外侧包覆实验结果分析

5．2．1四层组坯方式钛/钢复合板的组织性能分析

5．2．2三层组坯方式钛/钢复合板的组织性能分析

5．3失败原因分析及改进方法

5．4本章小结

第6章结论

参考文献

致谢