【摘 要】
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钛金属质轻、高强、耐蚀,是优异的轻型材料,但作为一种稀有金属,价格较高。不锈钢具有高的强度、良好的塑性,但是不锈钢在氯离子存在的环境中,腐蚀很快。钛/不锈钢复合板很大限度地减少了对贵重金属钛的消耗,同时展现了出色的综合性能,因而广泛应用于化工、电力、石油、海洋、航空航天等重要领域,受到国内外学者的广泛关注。传统热轧法制备钛/钢复合板时轧制温度高、压下率大,结合界面易形成Fe-Ti系以及TiC等多种
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目,钛/不锈钢电致塑性轧制复合机理研究,51804215,国家自然科学基金委; 国家重点研发计划,高品质金属复合板高效制备原理与技术基础,2018YFA0707300,科学技术部高技术研究发展中心;
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钛金属质轻、高强、耐蚀,是优异的轻型材料,但作为一种稀有金属,价格较高。不锈钢具有高的强度、良好的塑性,但是不锈钢在氯离子存在的环境中,腐蚀很快。钛/不锈钢复合板很大限度地减少了对贵重金属钛的消耗,同时展现了出色的综合性能,因而广泛应用于化工、电力、石油、海洋、航空航天等重要领域,受到国内外学者的广泛关注。传统热轧法制备钛/钢复合板时轧制温度高、压下率大,结合界面易形成Fe-Ti系以及TiC等多种脆性化合物,严重影响了复合板结合性能。通过添加中间层在一定程度上可以抑制Fe-Ti系以及TiC脆性化合物的形成,但是会形成新的化合物且大幅增加了生产成本。针对上述问题,本文提出了脉冲电流辅助钛/钢轧制复合的方法,利用脉冲电流的电致塑性效应在较低温度和较小压下率下实现钛/不锈钢复合板的制备。为了实现轧制过程中电流的稳定施加,使用Solidworks三维软件进行了电流施加装置的设计,并通过COMSOL Multiphysics对所设计的装置进行有限元仿真分析,结果表明采用上下通电的方式能够保证在轧制区内拥有较高且较均匀的电流密度。为了研究脉冲电流对金属材料塑性变形的影响机理,对脉冲电流轧制试验进行启发性机理探索,使用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对304不锈钢与TA1纯钛进行有限元仿真并进行脉冲电流辅助拉伸试验。结果表明,在脉冲电流作用下304不锈钢与TA1纯钛的抗拉强度与断裂延伸率均随着电流密度的上升而逐渐降低,这是因为拉伸过程脉冲电流作用时间较长所致。在脉冲电流辅助下选用含有多种合金元素的钛合金TC4与304不锈钢制备了TC4/304复合板,使用Instron 5969试验机进行拉伸剪切试验,对复合板结合性能进行测试。采用配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)对不同工艺制备的钛/钢复合板的界面微观组织结构和元素分布进行了分析,并运用X射线衍射仪(XRD)对结合界面的物相进行了测定。结果表明:在750℃下,19.5%时TC4/304复合板就能结合且获得较高的剪切强度,且结合强度并不随着压下率的增加而增加,压下率达到58%时界面由于柯肯达尔效应产生孔洞导致结合强度急剧下降。而在58%压下量,650℃时就能实现良好的结合,且随着温度升高到850℃,界面形成大量脆性化合物削弱了结合强度。在750℃下,选用工业纯钛TA1与304不锈钢进行脉冲电流辅助轧制试验,结果表明TA1/304复合板与TC4/304复合板存在相似的规律,24.4%压下率时复合板界面就能够实现结合,而54.4%压下率时界面Fe Ti和Ti Ni化合物以及由于Kirkendall效应产生孔洞导致结合强度急剧下降。进一步在41.6%压下率下进行了不同电流密度的轧制实验,结果表明电流密度为1.15A/mm2时复合板剪切强度最大,达到356MPa。
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