真空复合轧制钛/不锈钢复合板的组织与性能研究

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钛及钛合金合金具有优良的耐腐蚀性能,不锈钢是常用的结构材料,具有良好的综合性能。钛/不锈钢复合板综合了二者的优势,可用于许多对材料性能要求苛刻的场合。目前国内钛/不锈钢复合板主要采用爆炸复合方式生产,效率低,污染大;而真空复合轧制法是生产钛/不锈钢复合板极具潜力的方式。  本文对采用真空复合轧制方法生产钛/不锈钢复合板的工艺进行了研究,选择直接轧制复合、添加Ni夹层轧制复合和添加Nb夹层轧制复合三种方案,分别研究轧制温度和压下率对界面的影响,对不同轧制工艺下的界面组织和性能进行了分析,并对轧后热处理制度进行了探索,得出如下结论:  (1)钛与不锈钢直接真空复合轧制时,在实验温度范围内,界面结合强度随轧制温度升高而下降,在800℃,85%压下率轧制时,界面结合强度最高,达到约105MPa。界面处生成多种金属间化合物,其中富Cr相和Cr等元素过饱和的α-Fe固溶体的形成是影响界面结合强度和造成界面脆性的主要原因。800℃,50%压下率轧制时,界面结合强度较85%压下率降低,并且界面存在未复合部分,需要更大的压下率。  (2)在800℃-950℃的范围内轧制时,Ni夹层能成功阻止钛和不锈钢中元素的互扩散,Ni-Ti界面处可以形成4层结构,从钛侧到Ni夹层侧分别为共析分解层、NiTi2、 NiTi、Ni3Ti。随着轧制温度的升高,各层厚度均增加。Ni、Fe之间具有良好的互溶性,界面处有FeNi生成,但在实验的轧制温度范围内,并没有发现明显的连续FeNi相层。在1000℃轧制时,Ni-Ti界面出现液相。在800℃,85%压下率轧制时界面结合强度最高,剪切强度达到约294MPa。随轧制温度的升高,界面结合强度下降。轧制温度为950℃时,界面结合强度和直接轧制复合基本相当,夹层失效。断口均显示为脆性断裂,断裂发生在Ni-Ti界面之间。800℃,50%压下率轧制时,界面结合强度较85%压下率时降低,主要原因是试样厚度增加,降温速度减小,Ni扩散更充分,导致脆性的过饱和Ti-Ni固溶体的形成。  (3)添加Nb夹层轧制复合时,Ti-Nb界面不生成金属间化合物,在850℃和900℃轧制时,Ti-Nb界面处只存在Ti和Nb的固溶体,在950℃和1000℃轧制时,Ti-Nb界面处出现β-Ti层;Nb-不锈钢界面处生成Fe2Nb相,其中在1000℃轧制时,几乎形成连续金属间化合物层。在900℃,85%压下率轧制时,界面结合强度达到最高,剪切强度约为397MPa。并且添加Nb夹层后,工艺窗口宽松,可在较高温度轧制。900℃,50%压下率轧制时,未能实现界面复合,70%压下率轧制时,界面实现复合,强度略低于85%压下率轧制。Nb与Ti的变形协调性较差,为提高Ti-Nb界面的结合强度,轧制时应采用大的压下率。  (4)对于直接真空复合轧制的钛/不锈钢复合板,高温固溶+淬火+低温回火工艺不能阻止σ相等富Cr相的生成,相反还会起到促进作用。淬火后的试样出现裂纹,断裂发生于富Cr区。低温扩散退火不会对直接真空轧制复合与添加Ni或Nb夹层轧制复合的结合界面组织造成明显影响。在450℃和550℃的热处理会造成直接轧制复合和添加Nb夹层轧制复合的钛/不锈钢复合板界面结合强度降低,而450℃低温扩散退火却可以提高添加Ni夹层轧制复合的钛/不锈钢复合板界面结合强度。
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