核电用钛钢复合板制备技术研究
钛钢爆炸复合板轧制工艺与界面控制
钛钢爆炸复合板轧制工艺与界面控制
钛钢爆炸复合板是利用爆炸冲击波的高压、高速作用下造成金属
板之间的冲击与剪切，从而实现爆炸焊接现象，具有良好的综合性能、可塑性和耐腐蚀性。
然而，钛钢爆炸复合板的制备过程中，界面质量
对于爆炸复合板的性能优劣具有决定性的影响。
本文从钛钢爆炸复合板制备工艺及界面控制方面进行分析。
首先，钛钢爆炸复合板的制备过程需要在爆炸压力波下进行，压力及时间的
控制一定程度上影响复合板的成型效果。
其次，在爆炸复合板的制备
过程中，钢板与钛板各自的物理性质差异决定了其界面形态的构造及
质量。
因此，采用前处理技术，如清洗、去氧化等方法，可以有效地
提高钢板和钛板的表面质量，从而达到优化界面结构和性能的目的。
在制备过程中，优化钛钢复合板的制备工艺、精确控制界面质量
是关键。
本文综合使用金相显微镜、扫描电镜等手段对钛钢爆炸复合
板的界面结构进行观察和分析，同时探究制备工艺中对界面结构和性
能的影响。
最后，针对制备过程中出现的问题，提出了钛钢爆炸复合
板的优化制备方案。
总之，钛钢爆炸复合板的制备工艺及界面控制是实现优质钛钢爆
炸复合板的重要因素，需要在制备过程中严格控制，从而实现优异的
综合性能和应用价值。
钛钢复合板组成、成形制造方法、用途
钛钢复合板的制造技术与其广阔的用途钛因其优良的耐腐蚀性而被大量用作各种化学反应容器、热交换器材料，但缺点是成本较高。
特别是作为结构部件使用时这个问题尤为突出，有效的解决方法就是使用钛钢复合板。
钛与普通钢的复合材称之为钛钢复合材，既有钛的耐蚀性，又有普通钢板作为结构物的强度，重要的是成本也大幅度下降了。
近年来，钛钢复合板又增添了新用途，即在海洋土木领域开始适用于钢构造物的防蚀材。
这不仅是因其成本较低，作为主体的钢构造物的焊接安装来看，也必须采用钛钢复合板。
钛钢复合板的概述何谓钛钢复合板？在《英和词典》上的「CLAD」是指「特别是将防蚀金属包覆在别的金属上」。
《钢铁便览》上的「复合钢板」则是指将「一般普通钢板与其它金属复合」。
即钛钢复合板是指将在一般普通钢板的表面用耐蚀性好的金属钛包覆，普通钢板的耐蚀性自然就提高了。
在JIS标准中，该板主要用于压力容器、锅炉、核反应堆、贮存器等，采用的均是厚度达8mm以上的复合钢，其规格号为G3603。
钛钢复合板的历史日本钛加工材的生产始于1954年，钛钢复合板则始于1962年。
那时的生产方法称之为「爆炸复合法」，凭借炸药的爆发能而接合的一种方法。
1986年开发了热轧法，厚板轧制法。
1990年又开发了连续热轧带卷的生产法，主要是指薄板的生产。
钛钢复合板的应用领域爆炸法、厚板轧制法制造的钛钢复合板为厚板，其用途主要用作耐蚀性构造材料。
高纯度对酞酸设备等的化工设备、冷凝器的管板用在发电设备上。
连续热轧制造的钛钢复合板为薄板，主要用在海洋钢构造物的衬里，应用领域为海洋土木。
钛钢复合板的制造方法一般复合钢板的制造方法有：填充金属钢锭轧制法、爆炸复合法、轧制压接法、堆焊法等。
钛钢复合板的场合，考虑到钛的特性，工业上常采用爆炸复合法或轧制压接法，而实际的生产方法则包括①爆炸复合法，轧制压接法又包括②厚板轧制法③与连续热轧法。
爆炸复合法通常是在常温下进行的，轧制压接法是将板组装、加热轧制。
钛钢复合板生产工艺
从专利技术角度分析钛钢复合板轧制技术发展
从专利技术角度分析钛钢复合板轧制技术发展摘要：本文对钛钢复合板轧制技术领域的专利申请进行分析，从国内、国外的专利申请趋势、国内重要申请人等多方面统计分析，阐述了钛钢复合板轧制技术领域的专利申请发展趋势，追踪了钛钢复合板轧制技术领域的发展脉络，以期从中发现规律，为日后的钛钢复合板轧制研究提供帮助。
关键词：钛钢复合板轧制0 引言钛及钛合金具有很高的比强度和优良的耐蚀性，特别是在耐蚀性方面，在大部分腐蚀环境中都超过了不锈钢，因此被广泛应用于海上作业平台、压力容器和化工机械装置等领域。
然而，钛及钛合金价格较高，这严重地影响了钛材在工业上的使用。
在此背景下，开发钛复合材料成为大家研究的焦点。
钛钢复合板不仅具有钛的强耐蚀性，而且兼备钢的强度，具有较高的经济价值和应用价值，在对耐蚀性和强度同时具有较高要求的领域，应用非常广泛。
1 技术简介钛钢复合板的轧制分为冷轧复合法和热轧复合法。
在20世纪50年代美国首先对冷轧复合法开展了研究，复合工艺包括表面处理、冷轧复合和扩散退火三个步骤[1]。
冷轧复合异种金属时一般需要达到50%-70%的单次压下率，有时甚至要求更高[2]。
冷轧复合凭借大的压下率使待复合板产生强大的接触压力，让它们之间产生相互嵌合甚至达到原子间结合，随后通过扩散退火，可以进一步提高结合强度[3,4]。
热轧复合法是将复材和基材重叠在一起后进行加热，在轧制力和高温的作用下，复板和基板紧密接触，两者之间原子相互扩散，在接触面处发生物理相互作用和化学反应形成结合区，实现两种金属的结合。
2 数据库选择和检索在中国专利摘要数据库CNABS和德温特世界专利索引数据库DWPI中，在大组B21B1/00（金属轧制的方法或制造实心半成品或成型截面的轧机）、B23K20/00（利用冲击或其他压力的非电焊接，或用加热，例如包覆或镀敷）和B32B15/00（由金属组成的层状产品）内采用关键词titanium、steel、clad、roll等得到检索结果。
钛钢复合板及其制备应用研究现状与发展趋势
钛/钢复合板是由钛板与钢板以层状方式组合而成的一类先进金属层状复合材料，兼具钛的优良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，在石化电力、盐化工、交通运输、展，市场对钛/钢复合板的尺寸规格、界面结合质量和力学性能等都提出了新的要求。
虽然爆炸复合法、爆炸‒轧制复合法、扩散复合法和轧制复合法（包括热轧复合法或冷轧复合法）都可以制备钛/钢复合板，但是这些方法普遍存在着污染环境、制备成本高、难以连续化制备、复合板尺寸规格受限以及质量和性能仍然偏低等问题，越来越无法满足市场不断提出的更高需求。
界面结合质量作为钛/钢复合板的重要性能指标始终是受关注的重点，表面处理方法、热轧温度、过渡层金属和热处理工艺等影响界面结合质量的因素也一直是该领域的研究热点。
因为钛/钢界面生成的TiC、FeTi或Fe2Ti等脆性相会损害钛/钢复合板的界面结合质量，而加入过渡层金属可以在一定程度上有效避免脆性相的生成，所以人们对钛/钢界面过渡层金属的选择和过渡层对界面结合质量的影响进行了大量研究，但过渡层金属的添加会增加原料和制备的成本，限制了工业化推广应用[6-11]。
国外对钛/钢复合板的研究较早，特别是日本、美国已经在化工、核电和海洋工程等领域大规模使用。
国内对钛/钢复合板的研究起步较晚，宽幅钛/钢复合板的制备技术仍不成熟，尺寸规格以及复合率、板形等产品质量与国外相比仍有较大差距。
本文从制备方法、界面特征、应用现状和发展趋势等多个角度对钛/钢复合板的研究开发现状进行了综述，以期为钛/钢复合板的深入理论研究提供参考，推动钛/钢复合板制备技术的进步，拓宽钛/钢复合板的应用领域。
1. 钛/钢复合板的研究现状原材料情况决定了钛/钢复合板的制备方法和应用领域，而复合板尺寸、界面特征和力学性能则是影响钛/钢复合板实际应用的主要指标和关键因素。
所以，原材料情况以及复合板尺寸、界面特征和力学性能一直都是钛/钢复合板研究开发所关注的热点和重点内容。
1.1 原材料情况钛的原子序数22、原子质量47.87，在低于882 ℃为密排六方结构的α-Ti，当温度超过882 ℃后，钛会转变为体心立方结构的β-Ti。
钛钢轧制复合板的制备工艺研究
钛钢轧制复合板的制备工艺研究钛钢轧制复合板制备工艺研究摘要：针对现有钛钢复合板生产工艺的不足，本文设计了一种新型钛钢复合板的制备工艺。
通过控制轧制参数，制备出具有高强度、高耐蚀性、低密度的钛钢复合板。
关键词：钛钢复合板；制备工艺；轧制参数；1.引言钛钢复合板是一种由钛金属层和不锈钢层复合而成的材料，具有高强度、高耐蚀性、低密度等特点，广泛应用于船舶、航空航天等领域。
目前，钛钢复合板的制备工艺主要包括爆炸复合、轧制复合、爆炸轧制复合等方法，其中轧制复合是一种较为成熟的制备工艺。
但是，现有的钛钢复合板制备工艺存在一些问题，如制备难度大、层间结合力不够强等。
因此，研究新型钛钢复合板制备工艺具有重要的意义。
2.实验方法2.1 实验样品本文选用TA1钛板和304不锈钢板作为钛钢复合板的基材，厚度分别为0.2 mm和0.8 mm。
2.2 轧制工艺首先将TA1钛板和304不锈钢板表面进行清洗处理，然后用冷轧机将两板材一起压制，轧制速度为3 m/min，轧制比为10%，轧制温度为室温。
2.3 材料测试对制备出的钛钢复合板进行弯曲试验和耐蚀试验。
弯曲试验采用三点弯曲法，耐蚀试验采用盐雾试验。
3.实验结果和分析经过实验制备的钛钢复合板，可以清晰地观察到钛金属层和不锈钢层的分界线明确，两层之间的结合紧密。
经弯曲试验，钛钢复合板表现出较好的韧性，无明显的剥离现象。
经过盐雾试验，钛钢复合板表面无显著的氧化腐蚀迹象。
4.结论本文设计的钛钢复合板制备工艺，通过控制轧制参数，制备出具有高强度、高耐蚀性、低密度的钛钢复合板。
该制备工艺简单、效果良好，可以为钛钢复合板的生产提供参考。
钛钢复合板研究报告
钛钢复合板研究报告钛钢复合板是一种新型材料，由钛合金层和钢板层通过爆炸焊接工艺镶嵌在一起形成。
钛钢复合板具有钢材的高强度和钛合金的耐腐蚀性和轻质特性，因此在航空航天、海洋工程、汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
一、钛钢复合板生产工艺1.准备材料。
原材料是钛板和钢板，在生产之前要先进行预处理。
2.爆炸焊接。
爆炸焊接是将钛合金和钢板放在一起，通过爆炸产生的能量使两者融合在一起。
3.卷板。
将焊接好的钛钢板通过卷板机进行卷曲，制成所需的钛钢复合板。
二、钛钢复合板的性能特点1.高强度。
钢板层具有高强度，钛合金层也具有优异的强度特性。
2.耐腐蚀性。
钛合金层能够耐受海水、酸碱等强腐蚀介质，使得钛钢复合板在海上钻井平台、船舶制造等领域得到广泛应用。
3.轻质化。
钛合金层轻便，可以降低整体重量，使得机器设备在使用时能够更为灵活。
4.防爆性。
钛钢复合板的制作工艺具有防爆优势，可以用于制造安全强度要求高的设备。
三、钛钢复合板的应用领域1.航空航天领域。
航空航天器件的制造需要材料具有一定的耐压和耐高温性能，而钛钢复合板正好满足这一要求。
2.海洋工程领域。
海洋的盐度、温度、腐蚀性等特点，对材料的要求极为苛刻，而采用钛钢复合板能够有效减少海洋工程设备的维修成本。
3.汽车制造。
汽车制造行业中要求材料具有一定的安全性和重量要求，使用钛钢复合板能够在保证材料强度的情况下尽可能减少整车重量。
四、钛钢复合板的研究现状目前，钛钢复合板制作工艺已趋于成熟，但在制作过程中会遇到爆炸焊接技术难度高、钢板与钛合金的配合度不高等问题。
因此，目前的研究主要集中在加强钢与钛合金的结合度、钛合金层的稳定性、生产工艺的改进等方面。
预计在未来的研究中，钛钢复合板的应用领域将会进一步拓展，同时也会有更多的创新技术应用到钛钢复合板的生产中。
综上所述，钛钢复合板作为一种新型材料，在高强度、耐腐蚀性、轻质化等方面具备突出的优势，将在航空航天、海洋工程、汽车制造等领域得到广泛应用。
钛钢复合板生产方法[发明专利]
![钛钢复合板生产方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2b44cb8e48d7c1c709a1450d.png)
专利名称：钛钢复合板生产方法
专利类型：发明专利
发明人：王春波,朱进兴,王小双,侯树龙,承伟东,林国峰申请号：CN201810485836.3
申请日：20180521
公开号：CN110180892A
公开日：
20190830
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种钛钢复合板的生产方法，显著降低了钛钢复合板的生产成本大幅下降，具有良好的社会效益。
所用坯料为Ti板在上表面，Q235在下表面，二者通过爆炸复合法复合在一起，Ti 板和Q235的厚度比例为：坯厚56㎜，其中Ti板厚6㎜、Q235板厚50㎜，成品复合板厚度18㎜，其中Ti板厚2㎜、Q235板厚16㎜，厚度公差为正公差(0，+0.5㎜)。
该钛钢复合板轧制生产步骤为：加
热‑高压水除鳞‑轧制‑热矫直‑剪切‑喷印‑冷矫‑检查收集‑组吊‑入库。
申请人：江阴兴澄特种钢铁有限公司
地址：214429 江苏省无锡市江阴市滨江东路297号
国籍：CN
代理机构：北京中济纬天专利代理有限公司
更多信息请下载全文后查看。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Keywords
Nuclear Station, Ti-CS Clad Plate, Explosive Bonding
核电用钛钢复合板制备技术研究
宋 军，赵 惠，李平仓
西安天力金属复合材料有限公司，陕西 西安 收稿日期：2015年11月5日；录用日期：2015年11月24日；发布日期：2015年11月27日
宋军 等
能检验结果来看， 复合材的界面均匀， 呈现爆炸焊接所特有的波状界面， 且界面处无分层、 熔化等缺陷。 剪切试验结果说明复合板结合强度高于200 MPa，弯曲满足核电领域使用要求。
关键词
核电，钛复合材，爆炸焊接
1. 前言
随着经济的蓬勃发展，能源紧缺越来越突出。核电是和平利用核能的重要形式。自从我国首座自主 设计建造的秦山核电站于 1991 年 12 月 15 日实现首次并网发电以来，截至 2014 年 5 月，我国大陆已建 成并运行 19 台核电机组和一座实验快堆，装机容量 1704 万千瓦，在建的核电机组 29 台，装机容量 3188 万千瓦。为了实现到 2020 年国民生产总值在现有基础上再翻两番的宏伟目标，电力发展必须与经济发展 相适应。预计到 2020 年，我国的电力装机容量将增至 9 亿千瓦以上。随着核电行业的大力发展，核电站 的关键设备用料——钛钢复合板， 则越来越受到设备制造方的关注[1]-[3]。 本文主要研究高性能核电用钛 钢复合板的制备技术，采用该技术制备的复合板剪切强度均在 180 MPa 以上，远高于常规标准要求。
Figure 4. Computer simulation results with 12 mm spacer 图 4. 间隙高度为 12 mm 时模拟结果
238
宋军 等
本别是间隙高度为 8 mm， 10 mm 和 12 mm 时的模拟结果。 从图中可以看出， 间隙高度低于或超过 10 mm 时，复合后复合板均存在不结合区域。因此本次工艺中间隙高度选取 10 mm。
Figure 3. Computer simulation results with 10 mm spacer 图 3. 间隙高度为 10 mm 时模拟结果
LS-DYNA user input Time = 1360 Contours of Z-displacement min = −0.844179, at node# 3599 max = 0.739043, at node# 6214 Fringe Levels 7.390e−01 5.807e−01 4.224e−01 2.641e−01 1.058e−01 −5.257e−02 −2.109e−01 −3.692e−01 −5.275e−01 −6.859e−01 −8.442e−01
Fe% 0.04 C% 0.02 N% 0.012 H% 0.001 O% 0.06
Table 3. Mechanical properties and parameters of Johnson-Cook 表 3. 钛、钢机械性能和 Johnson-Cook 方程的模型参数
Parameter Gr70 TA1 Density (kg∙cm−3) 7.8 4.5 Volume modulus (GPa) 159 178 Shearing modulus (GPa) 82.5 60 Hardness constant 500 380 Strain rate constant 0.012 0.26 Thermal softening index 1.02 0.7 Melting point (able 1. Chemical composition of SA516Gr70 表 1. 优质碳素钢 SA516Gr70 板的化学成分
C% 0.20 Mn% 1.13 Si% 0.15 S% 0.015 P% 0.015
Table 2. Chemical composition for titanium 表 2. 钛板(TA1)的化学成分
σy = A + Bε
第二部分则是涉及断裂时的应变
(
pn
) (1 + C ln ε )(1 − T
∗
∗m
)
(1)
* D1 + D2 exp ( D3σ * ) 1 + D4 ln ε ∗ εf = 1 + D5T
(2)
JWL 材料模型主要是用来描述压力与体积应变之间的关系：
3.2. UT 检验
图 5 为 UT 检验结果。从图中可以看出，底波高度远远高于界面波高度，这说明复合板结合状态良 好。满足 ASTM B898 中的要求。
3.3. 微观组织检验
图 6 为复合板界面微观组织形貌，从图中可以看出，复合材界面均匀，无裂纹、分层或金属夹杂等 影响结合强度的缺陷，满足标准要求。通常情况下，这样的界面对应的较高的结合强度。图 7 为 SEM 的 界面的微观组织形貌，从图中可以看出，在高衬度条件下，界面仍然完整，无缺陷。
LS-DYNA user input Time = 1500 Contours of Z-displacement min = −1.36424, at node# 1408 max = 0.0435305, at node# 4075 Fringe Levels 4.353e−02 −9.725e−02 −2.380e−01 −3.788e−01 −5.196e−01 −6.604e−01 −8.011e−01 −9.419e−01 −1.083e+00 −1.223e+00 −1.364e+00
Table 4. JWL parameters of 0# explosive 表 4. 0#炸药 JWL 的模型参数
Parameter Explosive AJ (100 GPa) 1.3275 BJ (100 GPa) 0.00439 R1 4.5 R2 0.81 ω 0.21 E0 (GPa) 0.32 ρe (kg∙m−3) 600 D/(m∙s−1) 2200
b 炸药
雷管 TA1
间隙 Gr70
Figure 1. The sketch of computer simulation 图 1. 简化后数值模拟实体模型
爆炸复合后利用 UT 法检验复合板结合率， 验收标准执行 ASME SA578 C 级。 利用 OLYMPUS GX51 型金相显微镜和 SS550 扫描电镜及 EDX 能谱仪观察界面微观组织。TY8000 型实验机被用来检测复合板 的拉伸强度，拉伸实验执行 ASTM E8 标准，试验温度为常温。弯曲试验在 MC009-GW40A 型实验机进 行，执行 ASTM E190，弯曲角为 180˚。力学性能验收标准为 ASTM A898-2011。
摘
要
本文采用计算机模拟法优化爆炸焊接工艺参数，然后制备出核电用复合板。从金相检验、SEM和力学性
文章引用: 宋军, 赵惠, 李平仓. 核电用钛钢复合板制备技术研究[J]. 材料科学, 2015, 5(6): 235-241. /10.12677/ms.2015.56032
3. 结果与分析
3.1. 计算机模拟
爆炸复合过程为中心起爆，为节约计算时间，本次模拟仅计算四分之一尺寸模型。爆炸焊接工艺中 最关键的参数为间隙的高度，本次试验就利用计算机模拟的方法，首先确定复合板的间隙高度。图 2~4
237
宋军 等
LS-DYNA user input Time = 1430 Contours of Z-displacement min = −0.874808, at node# 3599 max = 0.180482, at node# 6178
Manufacture Technology of Ti-CS Clad Plate for Nuclear Station
Jun Song, Hui Zhao, Pingcang Li
Xi’an Tianli Metal Composite Material Co. Ltd., Xi’an Shaanxi Received: Nov. 5th, 2015; accepted: Nov. 24th, 2015; published: Nov. 27th, 2015 Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
Material Sciences 材料科学, 2015, 5(6), 235-241 Published Online November 2015 in Hans. /journal/ms /10.12677/ms.2015.56032
Fringe Levels 1.805e−01 7.495e−02 −3.058e−02 −1.361e−01 −2.416e−01 −3.472e−01 −4.527e−01 −5.582e−01 −6.638e−01 −7.693e−01 −8.748e−01
Figure 2. Computer simulation results with 8 mm spacer 图 2. 间隙高度为 8 mm 时模拟结果
2. 试验材料与方法
2.1. 试验材料
试验所用复层 TA1， 基层为 SA 516Gr70 板材， 尺寸分别为 5 × 3500 × 4500 mm 和 30 × 3500 × 4500 mm。材料的化学成分分别如表 1，表 2 所示。
2.2. 试验方法
根据爆炸复合过程的特点， 建立炸药、 基板和复板的三维立体模型。 所用软件为 ANSYS--LSDYNA。 在建立有限元分析模型时，为减少计算时间，节省计算机资源，实体模型可简化成三层结构，如图 1 所 示，第一层为炸药，第二层为复板，第三层为基板。 计算模型如文献[4]所述，对爆炸复合过程中复板的运动状态进行模拟分析，采用 3Dsolid 164 实体单 元，有限元软件当中 3Dsolid 164 实体单元采用八节点六面体单元，在数值模拟过程中，将几何实体进行 六面体映射网格划分， 通过模拟爆炸复合过程， 优化复合工艺。 根据爆炸复合过程特点， 引入 Johnson-Cook Grunsisem Model Behavior 部分模型： 第一部分涉及应力