关键词：
轧制复合
结合强度
层状金属复合材料
摘要：
钛系层压金属复合材料兼具钛层的高比强度、强耐腐蚀性和耐热性以及复合层在结构和物理化学上的特殊性能,因此在建筑、石油化工、航空航天以及海洋工程等领域具有广阔的应用前景。复合工艺和界面性能是复合板研究的重点,本文以钛/钢复合板和钛/铝复合板这两种典型的钛系层压金属复合材料为研究对象,探索研究符合其结合特征的复合工艺,并对界面性能进行系统研究。对于钛/钢复合板,钛与钢在室温结合困难且在高温界面易形成脆性相,基于此,本文探索提出了一种新的复合工艺,即钎焊轧制法,通过实验分析研究了热轧及热处理后钛/钢复合板的结合性能、界面显微组织、界面结构演变和力学性能。而对于钛/铝复合板,其各层力学性能和塑性变形能力差异较大,在塑性变形过程中各层相互制约作用使得复合板在整体上表现出与单一金属不一样的变形行为,基于此,本文采用切块法建立了钛/铝冷轧形变模型,明确了结合性能提升和变形协调的关键因素。根据理论分析结果,采用冷轧工艺,研究不同铝强度对钛/铝复合板界面结合性能的影响,分析了钛、铝之间的变形协调性,阐述了钛/铝冷轧复合板结合机理。采用新型复合工艺制备了钛/钢复合板。在纯钛和低碳钢之间加入单一的紫铜T2、BAg-8,以及未加入任何钎料,形成三种钛/钢复合板。热轧后,后两种钛/钢复合板剪切强度随压下率的增加而增加,在压下率为65%,使用BAg-8钎料下达到最大值268 MPa。而对于加入紫铜T2钎料的钛/钢复合板,当压下率达到65%时,剪切强度下降明显,这归因于界面存在较多“弱”的结合界面形态。热处理后,未加钎料的钛/钢复合板界面扩散层从500℃时的4.7μm增加到800℃时的5.4μm;加紫铜T2的钛/钢复合板在拉伸实验过程中界面的破坏是由于热处理过程中在界面处形成了脆性金属间化合物以及大量的魏氏体结构α-β Ti;加BAg-8钎料的钛/钢复合板在800℃热处理后界面存在的TiFe2相为拉伸过程中界面裂纹的形核和扩展提供了主要位置,最终导致界面的破坏。与混合法则(ROM)计算得到的结果相比,三种钛/钢复合板在各热处理温度下的延伸率都显著增强,尤其是加BAg-8钎料的钛/钢复合板具有相对较好的成型性能。对于各层力学性能和塑性变形能力差异较大的钛/铝复合板,采用切块法建立了同时考虑钛层和铝层各向异性和底层金属受挤压结合过程所造成的摩擦变化的冷轧形变模型。本模型能很好的预测轧后Ti/A1厚度比率,而且初始铝强度越小,预测值越准确。用该模型研究了轧制压下率、初始铝强度、钛与铝之间的摩擦系数和铝层初始厚度对轧制变形区应力分布及结合状态的影响。计算结果表明较高的压下率促使更多的铝向出口处流动,连接形成后,更大的轧制压力对界面结合性能的增强有促进作用。初始铝强度提高,复合板变形更协调,性能更稳定,在压下率为50%时,初始铝获得较高强度,有助于促进结合性能提升。钛层和铝层之间的摩擦途大,越有利于结合性能的提高。综合考虑结合性能和轧机载荷承受能力,0.2 mm的钛和1.2 mm的铝的厚度组合最佳。基于形变模型的研究结果,探究了钛/铝复合板冷轧制备工艺,旨在提高结合性能和变形协调性。研究表明,剥离强度随冷轧压下率增加而增加,相同压下率下,铝强度提高,其对应的钛/铝复合板剥离强度增大。压下率越大,铝强度越高,钛和铝之间的变形协调趋好,其中钛层和铝层的应变硬化起到了重要作用。剥离表面分析表明钛侧有铝残留,而铝侧几乎没有钛残留,随压下率增大,钛侧残存铝增多,结合界面裂缝间隙变大,界面呈现锯齿形态,在结合界面钛层形成局部剪切变形区。而相同压下率下,铝强度越高,钛侧残存铝越少。钛/铝复合板中钛侧和铝侧具有不同显微结构和织构演变规律。对于铝退火状态的钛/铝复合板,从钛层外侧到钛/铝界面,小角度晶界比率增加,基面织构强度减弱直至消失,从铝层外侧到钛/铝界面,具有较强织构密度的{014}<041>织构逐渐减弱直至消失,而{012}<321>织构、高斯织构{011}<100>逐渐增强,同时在临近界面处出现微弱的丝织构。对于铝强化状态的钛/铝复合板,从钛层外侧到钛/铝界面,小角度晶界比率增加不明显,基面沿TD偏转30°织构明显减弱并且出现基面织构,从铝层外侧到钛/铝界面,取向差梯度逐渐减小,不稳定的{012}<021>消失,在紧邻界面处出现{014}<041>织构,并且沿着铝基体向界面位置出现立方织构{001}<100>。钛/铝冷轧复合板结合性能决定于4种强连接形态,铝的强度是主要因素,钛侧剥离表面铝的残存量是次要因素。
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