一种高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及到一种钢-铝复合材料及其制备方法，具体涉及到一种以高强度6061铝合金为复材，高耐蚀的超级奥氏体不锈钢为基材的舰船用钢-铝复合材料及其制备方法。

背景技术

船舶钢特指航行的船舶的船体结构工程钢，主要为板材。船舶钢要求具有较高的强度和韧性以及优秀的耐海水腐蚀性能。目前常用的船舶钢有16mn、15mnti等，这些钢材虽然价格便宜，但其耐腐蚀性能不佳，缩短了舰船的使用寿命，危及舰船的使用安全。而诸如牌号为hs130等的高强度高耐蚀的合金钢制作成本又相对昂贵，难以大规模运用在普通船舶上。为了解决上述船舶用钢的难题，开发出一种以高强度铝合金为复板，高耐蚀钢材为基板的新型钢-铝复合材料来满足生产应用是十分必要的。其中6061铝合金密度约为2.75g/cm³，不仅强度高韧性好，而且具有优良的加工性能、焊接性能和抗腐蚀性能，综合性能优异，被广泛应用于航空航天等领域；而超级奥氏体不锈钢是一种含高ni、高cr和高mo的高合金不锈钢，具有极佳的耐腐蚀性能，可以应用在发电厂烟气脱硫装置、海水淡化处理设备、热交换器等极其恶劣的工作环境下。因此这种新型钢-铝复合材料与16mn、15mnti等船舶钢相比，具有高强度、高耐蚀和轻量化等特性，在舰艇船舶等军事领域具有广阔的发展前景。

爆炸焊接是指通过炸药爆炸产生的巨大能量，使金属产生塑性变形，从而使两种或两种以上物理性能差别较大的金属焊接在一起，甚至能够对金属和非金属件进行焊接。爆炸焊接理论最早诞生于上世纪40年代，如今经过近80年的发展，其理论研究已经相对成熟，同时应用范围也在不断地拓广，尤其是在石油化工、航空航天等领域显示出不可替代的作用。然而按照现行的爆炸焊接工艺，在爆炸焊接过程中易出现局部未焊合、复板表面灼伤和断裂等问题，难以制造出高质量的以6061铝合金为复材的钢-铝复合材料。

综上所述，开发出一种新型舰船用钢-铝复合材料及其制备方法成为本领域技术人员的长期技术诉求。

技术实现要素：

为克服上述背景技术中存在的不足，本发明公开了一种新型舰船用钢-铝复合材料及其制备方法。

根据fe-al二元相图可以看出，在爆炸焊接过程中钢板和铝板之间将会生成feal3等脆性金属间化合物，影响界面之间的结合强度。因此在钢-铝复合板中间需要添加过渡层，而选择过渡层最基本原则就是过渡层不能与两侧金属产生脆性金属间化合物。从fe-ti和al-ti二元相图可知，ti和fe、al之间的固溶性较大，因此本发明采用ti作为中间过渡层。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，具体包括如下步骤：

(1)表面处理：将基材超级奥氏体不锈钢、过渡层纯钛板和复材6061铝合金待复合表面打磨干净，除去表面氧化皮；

(2)第一次爆炸焊接：首先将过渡层纯钛板、基材超级奥氏体不锈钢和垫板(普通碳钢)按从上而下的顺序摆放在焊接平台上，并将基材与垫板之间接触的四个角焊好，避免爆炸焊接过程中垫板发生位移，而过渡层与基材之间通过支撑物隔开，然后在过渡层表面涂刷一层黄油并铺放炸药和石英砂的混合物，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后形成两层复合板；

(3)第二次爆炸焊接：将复材6061铝合金通过支撑物放置在两层复合板之上，并将橡胶缓冲保护垫放置在复材表面，然后铺放炸药和石英砂的混合物，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后最终得到以6061铝合金为复材，超级奥氏体不锈钢为基材的钢-铝复合材料。

所述的高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，所述复板、过渡层和基板三者长度l1、l2和l3(mm)，宽度w1、w2和w3(mm)，厚度h1、h2、h3(mm)分别满足如下公式：

l1＝l2+(40～50)＝l3+(80～100)

w1＝w2＝w3+(30～40)

h1∶h2∶h3＝4∶1∶3

所述的高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，所述的两次爆炸用量(kg)与过渡层和复层表面积(m²)的关系分别满足如下公式：

第一次爆炸的炸药用量＝过渡层表面积×20

第二次爆炸的炸药用量＝复层表面积×15

所述的高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，所述乳化炸药中按1∶1的比例混入石英砂，目的是节省炸药并将爆速控制在2000m/s之内。

所述的新型舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，所述第二次爆炸焊接过程中在铝合金板表面放置橡胶缓冲保护垫，其中橡胶缓冲保护垫的厚度为10mm，长跟宽与铝合金板相同。

所述的高耐蚀舰船用钢-铝复合材料及其制备方法，所述钢板为超级奥氏体不锈钢，所述过渡层为纯钛板。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

1.本发明制造出的新型钢-铝复合材料与16mn、15mnti等船舶钢相比，具有高强度、高耐蚀和轻量化等特性，在舰艇船舶等军事领域具有广阔的发展前景。

2.本发明提供的制造方法克服了钢-铝复合材料在爆炸焊接过程中易出现局部未焊合、复板表面灼伤和断裂等问题，能够得到大面积高质量的钢-铝复合材料。

附图说明

图1为本发明爆炸焊接安装示意图

第一次：1、焊接平台；2、垫板；3、超级奥氏体不锈钢板；4、支撑块；5、纯钛板；6、黄油；7、乳化炸药+石英砂；8、雷管；9、导线；10、起爆器。

第二次：1、焊接平台；2、垫板；3、纯钛板+超级奥氏体不锈钢板；4、支撑块；5、6061铝合金；6、橡胶缓冲保护垫；7、乳化炸药+石英砂；8、雷管；9、导线；10、起爆器。

图2为fe-al二元相图

图3为fe-ti二元相图

图4为al-ti二元相图

具体实施例

实施例1：

(1)表面处理：将基材超级奥氏体不锈钢904l(00cr20ni25mo4.5cu)，尺寸为9×2000×5000mm；过渡层纯钛板ta1，尺寸为3×2040×5050mm；复材6061铝合金，尺寸为12×2040×5100mm，三者的待复合表面打磨干净，除去表面氧化皮。

(2)第一次爆炸焊接：首先将过渡层纯钛板ta1、基材超级奥氏体不锈钢904l和垫板(普通碳钢，尺寸为15×2000×5000mm)按从上而下的顺序摆放在焊接平台上，并将基材与垫板之间接触的四个角焊好，避免爆炸焊接过程中垫板发生位移，而过渡层与基材之间通过支撑物隔开，间距8mm，然后在过渡层表面涂刷一层黄油并铺放炸药和石英砂的混合物，药高22mm，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后形成两层复合板。

(3)第二次爆炸焊接：将复材6061铝合金通过支撑物放置在两层复合板之上，两者之间间距14mm，并将橡胶缓冲保护垫放置在复材表面，然后铺放炸药和石英砂的混合物，药高36mm，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后最终得到以6061铝合金为复材，少量超级奥氏体不锈钢904l为基材的钢-铝复合材料。

实施例2：

(1)表面处理：将基材超级奥氏体不锈钢n08367(00cr20ni25mo4.5cu)，尺寸为6×1200×3000mm；过渡层纯钛板ta1，尺寸为2×1240×3050mm；复材6061铝合金，尺寸为8×1240×3100mm，三者的待复合表面打磨干净，除去表面氧化皮。

(2)第一次爆炸焊接：首先将过渡层纯钛板ta1、基材超级奥氏体不锈钢n08367和垫板(普通碳钢，尺寸为12×1200×3000mm)按从上而下的顺序摆放在焊接平台上，并将基材与垫板之间接触的四个角焊好，避免爆炸焊接过程中垫板发生位移，而过渡层与基材之间通过支撑物隔开，间距6mm，然后在过渡层表面涂刷一层黄油并铺放炸药和石英砂的混合物，药高20mm，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后形成两层复合板。

(3)第二次爆炸焊接：将复材6061铝合金通过支撑物放置在两层复合板之上，两者之间间距12mm，并将橡胶缓冲保护垫放置在复材表面，然后铺放炸药和石英砂的混合物，药高34mm，利用雷管引爆，通过爆炸焊接后最终得到以6061铝合金为复材，超级奥氏体不锈钢n08367为基材的钢-铝复合材料。