[發明專利]提高鈦/鋼復合材料界面結合強度的方法

有效

• 申請號: 202010655923.6
• 申請日: 2020-07-09
• 公開（公告）號: CN111940502B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 丁文紅;臧之祺
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: B21B1/38
• 分類號: B21B1/38;B21B3/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 程力

本發明公開了一種提高鈦/鋼復合材料界面結合強度的方法，以鋼材料為基層、鈦材料為覆層，采用熱軋復合法制備鈦/鋼復合材料，制備前，清除鋼材料和鈦材料表面的氧化物，并在鈦材料表面沉積一定濃度的強αTi穩定元素，制備時，利用強αTi穩定元素抑制擴散到鈦側的包括Fe、Ni在內的βTi穩定元素的不利影響，提高鈦的同素異構轉變溫度，在復合軋制溫度區間內，將鈦材料在復合界面處組織調控為αTi，利用C元素在γFe及αFe中的擴散系數均大于在αTi中的擴散系數，在復合界面形成TiC組織，抑制包括Fe?Ti在內的脆性相的形成，使鈦/鋼復合材料的界面剪切強度由140?220MPa提升至300MPa以上。該方法能提高鈦/鋼復合材料界面結合強度，使結合界面剪切強度達到300MPa以上。

技術領域

本發明屬于材料復合領域，具體涉及一種提高鈦/鋼復合材料界面結合強度的方法。

背景技術

異質金屬層狀復合材料是兼具基層材料和覆層材料性能以及成本優勢的新型材料，應用于能源、交通、海洋以及航空航天領域。對于鈦/鋼復合材料，由于其界面極易形成Fe-Ti脆性相，降低復合界面的結合強度。為了解決鈦/鋼復合材料的界面結合強度問題，目前已采用或正在探索的鈦/鋼復合材料的制備方法有：1)采用爆炸復合或爆炸+軋制法制備鈦/鋼復合材料；2)添加V、Ni、Mo、Fe等中間層，采用熱軋復合法制備鈦/鋼復合材料；3)降低軋制溫度，采用低軋制溫度的熱軋復合法制備鈦/鋼復合材料。

爆炸或爆炸+軋制復合法不僅環境污染嚴重、產品規格受限，而且復合界面剪切強度一般為196MPa(0類)或140MPa(1類)；采用添加中間層制備鈦/鋼復合材料時，由于中間層材料難以同時滿足與鈦、鋼兩側界面的結合強度要求，因此對界面結合強度的改善能力有限；相比前兩種方法，降低復合軋制溫度可以有效抑制Fe-Ti等中間脆性相的形成。已有實驗數據表明，將軋制溫度限制在850℃以下溫度時，復合界面的剪切強度可達200-220MPa。

在鈦及鈦合金與普碳鋼、不銹鋼等含有βTi穩定元素的基板制備異質金屬復合材料過程中，基材側的Fe、Ni等βTi穩定元素擴散進入鈦側，降低βTi的同素異構轉變溫度，致使復合材料制備過程中，鈦側的界面組織在較低溫度下就轉變為βTi組織，并且一直保留至室溫。在復合軋制溫度區間，由于C在βTi組織中的擴散系數大于C在γFe及αFe中的擴散系數，無法形成阻礙Fe、Ni原子進入鈦側的TiC層，因此極易形成Fe-Ti等脆性相，降低復合界面的結合強度。

由于上述三種傳統鈦/鋼復合材料制備方法都沒有從根本上解決Fe-Ti等脆性相問題，造成鈦/鋼復合材料的界面結合強度遠低于不銹鋼/鋼、耐蝕合金/鋼等同類復合材料界面結合強度，難以滿足下游成型加工及使用要求，使鈦/鋼復合材料的應用領域受到極大的制約。

由上可知，現有技術尚無法從根本上解決Fe-Ti化合物對鈦/鋼復合材料界面結合強度影響的問題，迫切需要開發關鍵技術，突破鈦/鋼復合材料界面結合強度低的瓶頸問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高鈦/鋼復合材料界面結合強度的方法，該方法能使鈦/鋼復合材料的界面剪切強度由目前的140-220MPa提升至300MPa以上。

本發明所采用的技術方案是：

一種提高鈦/鋼復合材料界面結合強度的方法，以鋼材料為基層、鈦材料為覆層，采用熱軋復合法制備鈦/鋼復合材料，制備前，清除鋼材料和鈦材料表面的氧化物，并在鈦材料表面沉積一定濃度的強αTi穩定元素，制備時，利用強αTi穩定元素抑制擴散到鈦側的包括Fe、Ni在內的βTi穩定元素的不利影響，提高鈦的同素異構轉變溫度，在復合軋制溫度區間內，將鈦材料在復合界面處組織調控為αTi，利用C元素在γFe及αFe中的擴散系數均大于在αTi中的擴散系數，在復合界面形成TiC組織，抑制包括Fe-Ti在內的脆性相的形成，使鈦/鋼復合材料的界面剪切強度由140-220MPa提升至300MPa以上。

進一步地，強αTi穩定元素包括鎵。