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冷喷涂-轧制制备钛/钢复合板及其性能研究

赵志坡  
【摘要】:钛/钢复合板具有优良的耐腐蚀性能和良好的机械性能,使用其代替钛板可以节约钛资源,降低使用成本,在航空航天、机械、船舶、海洋平台、核电等领域具有广泛的应用前景。目前工业上生产钛/钢复合板常采用爆炸焊接、爆炸-轧制和真空封焊-轧制等方法,存在界面氧化和结合不充分以及工艺复杂等问题。冷喷涂作为一种新型的粉末固态沉积技术,具有沉积温度低、颗粒速度快及过程无氧化等优点,在轻质金属及其复合材料制备领域具有引人注目的应用前景。本论文的目标是探索冷喷涂-轧制制备钛/钢复合板的可行性,即利用冷喷涂增材制造技术将钛粉末沉积在钢板表面,而后通过热轧制使两种材料发生结合,形成钛/钢复合板。论文的主要内容如下。首先对冷喷涂-乳制制备钛/钢复合板的新技术进行了可行性探索。以纯钛粉末和Q235钢板为原材料,采用冷喷涂-乳制制备钛/钢复合板,并研究了其微观组织结构和力学性能。结果表明:冷喷涂增材制造实现了纯钛粉末和钢板的预结合,避免了界面氧化的发生;热轧制修复了冷喷涂沉积钛层内部的孔隙和缺陷并实现了钛颗粒/钛颗粒界面和钛/钢界面的冶金结合;轧制后钛/钢复合板具有较高的抗拉强度(590 MPa)和界面剪切强度(320 MPa),热处理后钛/钢复合板的延伸率得到显著改善,达到18%。证明采用冷喷涂-轧制制备钛/钢复合板的新技术具有可行性。研究了退火处理温度对钛/钢复合板组织结构和力学性能的影响。将轧制后的样品分别在450℃、550℃和650℃的马弗炉进行退火处理3h。结果表明:退火处理促进了钛/钢复合板的回复和再结晶。450℃退火可使样品内部发生完全回复,消除局部应变;650℃退火使界面附近的变形钛层发生完全的再结晶。退火处理对钛/钢复合板力学性能具有如下两个方面的影响,一是消除材料内部的高密度位错,使延伸率提高;另一方面是高温促进界面TiC和FeTi金属间化合物的长大,增加了界面硬度,过大的化合物降低了界面结合强度和延伸率。实验结果证明,550℃退火处理时,所得钛/钢复合板综合力学性能最优。研究了轧制温度对钛/钢复合板组织结构和力学性能的影响。选用850℃、950℃和1050℃三种条件对钛/钢复合预制板进行轧制。结果表明:轧制温度对钛/钢复合板界面化合物层厚度和种类有重要影响。温度越高,界面化合物层厚度越大,化合物种类越多,复合板力学性能越差。850℃轧制时,钛/钢复合板界面为250 nm厚的TiC区,其延伸率(33%)最高,抗拉强度和剪切强度分别为560 MPa和309 MPa;950℃轧制的样品界面存在FeTi和TiC的混合区,总厚度约400 nm,抗拉强度(578 MPa)和剪切强度(312 MPa)最高,延伸率为29%;1050℃轧制的样品界面形成了 4 μm厚的混合化合物层,抗拉强度(516 MPa)、剪切强度(167 MPa)和延伸率(13%)最低。最后,提出制备钛/钢复合板的优化工艺:轧制温度为950℃,退火处理温度为550℃,保温3 h。对采用此工艺制备的钛/钢复合板的微观组织结构、力学性能、变形性能和抗腐蚀性能等性质进行了全面研究。结果表明,经优化工艺制备的钛/钢复合板界面结合良好,抗拉强度、剪切强度和延伸率分别达到599 MPa、309 MPa和36%,而且具有良好的变形性能和抗腐蚀性能,各项性能均大幅度超过国家标准和其他工艺制备的钛/钢复合板,具有良好的应用前景。


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