一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料及制备方法

本发明属于金属层状复合材料制备，具体涉及一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法。

背景技术：

1、钛/不锈钢层状复合材料兼具钛和不锈钢优异的综合性能，在海洋船舶、石油化工、航空航天和国防军工等领域已获得广泛应用。

2、界面结合强度是钛/不锈钢层状复合材料最重要的性能之一，界面结合强度越高，钛/不锈钢层状复合材料的安全性就越高、服役寿命就越长，应用领域就越广泛。目前生产钛/不锈钢层状复合材料的主要方法是爆炸复合法和热轧复合法。爆炸复合法存在生产周期长、对生产环境要求苛刻、环境污染大、有安全隐患、无法连续化制备和产品尺寸规格受限等问题，已逐渐被淘汰。热轧复合法具有生产成本低、生产效率高、易连续化制备、对环境影响小、产品尺寸规格灵活等优点，是一种应用广泛的金属层状复合材料成形方法。但是，钛和不锈钢的热轧复合明显不同于其他金属的热轧复合，钛/不锈钢界面在加热条件下极易快速反应生成大量脆性金属间化合物，恶化复合界面的结合强度，尤其是在热轧时的热-力耦合作用下，钛/不锈钢界面生成大量脆性金属间化合物的速度急剧加快，界面组织调控难度极大。因此，采用传统的在远高于不锈钢的再结晶温度以上进行热轧复合制备钛/不锈钢层状复合材料的方法，钛/不锈钢界面易生成大量脆性金属间化合物，难以成形高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

3、有鉴于传统热轧复合工艺条件下钛/不锈钢界面易生成大量脆性金属间化合物的不足，研究人员开发了采用添加中间层金属避免钛和不锈钢直接接触的轧制复合方法，以解决钛/不锈钢界面易生成大量脆性金属间化合物的问题。现有技术中，采用在钛和不锈钢中间添加低碳钢的方法，避免轧制复合过程中钛和不锈钢直接接触反应生成大量脆性金属间化合物，提高复合板的界面结合强度。但是，添加中间层金属的方法不仅增加工序复杂度和生产成本，同时会严重影响钛/不锈钢层状复合材料的综合性能，限制钛/不锈钢层状复合材料的应用领域。

4、因此，有必要开发一种钛/不锈钢层状复合材料制备新方法，在低成本高效实现钛/不锈钢直接复合的同时，避免钛/不锈钢界面生成大量脆性金属间化合物，获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料及制备方法，通过协同控制加热、热轧和扩散热处理过程中的温度，避开轧制复合和扩散热处理时钛/不锈钢界面易生成大量脆性金属间化合物的工艺参数区间，实现钛和不锈钢直接低成本高效轧制复合的同时，确保获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

2、根据本发明技术方案的第一方面，提供一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1：分别对待复合的钛坯料和不锈钢坯料进行软化退火，获得软态的所述钛坯料和所述不锈钢坯料；

4、步骤2：分别对所述钛坯料和所述不锈钢坯料的待复合表面进行机械打磨，形成的打磨条纹方向垂直于所述钛坯料和所述不锈钢坯料的长度方向，接着层叠组坯为钛/不锈钢层状坯料；

5、步骤3：将所述钛/不锈钢层状坯料在室温或所述钛的再结晶温度以下或所述不锈钢的再结晶温度以下进行2～10道次的轧制复合，获得钛/不锈钢层状复合坯料；

6、步骤4：将所述钛/不锈钢层状复合坯料在空气氛围下进行扩散热处理，扩散热处理温度为450℃～所述不锈钢的再结晶温度以上100℃，获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

7、进一步的，所述步骤3中，第一道次的轧制压下率≥35％；所述步骤4中，扩散热处理时间为0.01～300min。

8、进一步的，所述钛坯料和所述不锈钢坯料为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种，其同时是单根形式的、单块形式的或成卷形式的。

9、进一步的，所述机械打磨为离线机械打磨或在线机械打磨，打磨方式为砂带打磨、砂轮打磨、磨轮打磨、钢丝刷打磨、百叶片打磨或激光打磨中的至少一种。

10、进一步的，所述层叠组坯为离线层叠组坯或在线层叠组坯。

11、进一步的，对所述钛/不锈钢层状坯料进行离线加热或在线加热，加热方式为电阻加热、火焰加热、感应加热、脉冲加热、辐射加热或激光加热中的至少一种，加热氛围为空气氛围、真空、还原性气氛或保护性气氛中的至少一种。

12、进一步的，所述扩散热处理的加热为离线加热或在线加热，加热方式为电阻加热、火焰加热、感应加热、脉冲加热、辐射加热或激光加热中的至少一种。

13、进一步的，所述扩散热处理的加热氛围为真空、还原性气氛或保护性气氛中的至少一种。

14、进一步的，所述钛/不锈钢层状复合材料的层数为2～10层。

15、进一步的，所述钛是纯钛及其合金，所述不锈钢是马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢和双相不锈钢。

16、根据本发明技术方案的第二方面，提供一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料，所述高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料采用根据以上任一方面所述的制备方法制备获得。

17、本发明的有益效果：

18、采用该方法，通过协同控制加热、热轧和扩散热处理过程中的温度，避开轧制复合和扩散热处理时钛/不锈钢界面易生成大量脆性金属间化合物的工艺参数区间，可实现钛和不锈钢直接低成本高效轧制复合的同时，确保获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

技术特征：

1.一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，第一道次的轧制压下率≥35％；所述步骤4中，扩散热处理时间为0.01～300min。

3.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛坯料和所述不锈钢坯料为线材、棒材、管材、板材、带材或型材中的至少一种，其同时是单根形式的、单块形式的或成卷形式的。

4.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述机械打磨为离线机械打磨或在线机械打磨，打磨方式为砂带打磨、砂轮打磨、磨轮打磨、钢丝刷打磨、百叶片打磨或激光打磨中的至少一种。

5.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述层叠组坯为离线层叠组坯或在线层叠组坯。

6.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，对所述钛/不锈钢层状坯料进行离线加热或在线加热，加热方式为电阻加热、火焰加热、感应加热、脉冲加热、辐射加热或激光加热中的至少一种，加热氛围为空气氛围、真空、还原性气氛或保护性气氛中的至少一种。

7.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述扩散热处理的加热为离线加热或在线加热，加热方式为电阻加热、火焰加热、感应加热、脉冲加热、辐射加热或激光加热中的至少一种；所述扩散热处理的加热氛围为真空、还原性气氛或保护性气氛中的至少一种。

8.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛/不锈钢层状复合材料的层数为2～10层。

9.如权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛是纯钛或其合金，所述不锈钢是马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢或双相不锈钢。

10.一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料，其特征在于，所述高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料采用根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备获得。

技术总结
本发明公开了一种高界面结合强度钛/不锈钢层状复合材料及制备方法，属于金属层状复合材料制备技术领域。对待复合的钛坯料和不锈钢坯料进行软化退火，机械打磨其待复合表面，层叠组坯后在室温或钛的再结晶温度以下或不锈钢的再结晶温度以下轧制复合，最后在450℃～不锈钢的再结晶温度以上100℃进行扩散热处理，获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。本发明的主要优点在于，通过协同控制加热、热轧和扩散热处理过程中的温度，解决了现有热轧复合钛/不锈钢层状复合材料界面易生成大量脆性金属间化合物的问题，确保获得高界面结合强度的钛/不锈钢层状复合材料。

技术研发人员：刘雪峰,杨智研
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15