目录结构

详情信息展示

参考文献

摘要：
图表▲

图1 双金属异步轧制示意图Fig.1 Schematic diagram of asymmetrical rolling of bimetal

图2 钛层表面出现的间歇性开裂现象Fig.2 Intermittent cracks appeared on surface of titanium side

稀有金属2003年第6期

层状金属复合板的研究和生产现状

胡捷李德富李彦利

北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

介绍了有关层状金属复合板的研究和生产现状。爆炸焊接、轧制、爆炸 +轧制复合法是目前 3种主要的层状金属复合板的生产方法。其中 , 爆炸复合法在生产中应用最为广泛 , 异步轧制是一种具有很大发展潜力的轧制复合工艺 , 对于生产薄的复合板带材爆炸 +轧制复合法具有明显的优势

关键词：

层状金属复合板;爆炸焊接;轧制复合;爆炸+轧制;

中图分类号： TB331

作者简介：李德富 (Email:hj3326@mail.grinm.com.cn) ;

收稿日期：2003-07-20

基金：军工民口配套研制项目;

Overview of Research and Manufacture of Layer-Metal Composite Plate

Abstract：

The observation on the research and manufacture of layer metal composite plate were introduced.The explosive welding, roll cladding and explosive welding+rolling are three main processes currently in the manufacture of the layer-metal composite plate. The application of the explosive welding is the most extensive one, and the asymmetrical rolling is a new cladding method with huge potential, and the explosive welding+rolling has great advantages in the manufacture of the thin composite plate or strip.

Keyword：

layer metal composite plate; explosive welding; roll cladding; explosive welding+rolling;

Received： 2003-07-20

随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的出现, 人们对材料性能的要求日益增高, 在某些工况条件下单一组元材料的性能已经很难满足要求。因此, 研究和制备新型复合材料成了材料科学与工程领域中一个重要的发展方向。层状金属复合板是由两种性能不同的金属板通过特殊的加工制备方法复合而成的, 与单一金属组元相比, 经过合理设计组合后的层状复合板结合了两种金属组元各自的优点, 可以获得单一金属所不具有的物理和化学性能。

近几十年来, 层状金属复合板的研制、生产和应用越来越引起人们的关注, 成了世界各国竞相研制的新型材料。到目前为止, 这种复合材料已经在航空航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑、核能以及电力和电子等领域得到了应用 ^[1] 。

1 国内外研究发展现状

目前世界上, 在有色金属层状复合材料的研究和应用领域取得显著成功的国家有美、日、俄、英、德等, 主要材料品种是含有铜、铝、钛、镍、锆等金属组分的层状复合板、复合管、复合棒以及过渡接头, 年产量在20万吨以上 ^[1] 。

我国于20世纪60年代中期开始研究这种新型材料。西北有色金属研究院、宝鸡有色金属加工厂、大连造船厂等单位开展相关工作较早。 1968年大连造船厂陈火金等同志通过爆炸复合工艺试制成功了国内第一块双金属复合板 ^[2] 。 30多年来, 在异种金属的连接和大面积层状金属复合板的复合工艺研究和应用方面, 我国科研和生产应用取得了重要进展。在爆炸复合工艺方面, 我国与世界多数国家处于同一水平, 金属爆炸复合产品已实现规格化、系列化、性能标准化, 年生产能力超过1万吨 ^[3,4] 。

2 层状金属复合板的成形方法

2.1 爆炸焊接复合法

金属爆炸焊接是借助炸药爆炸产生的高强化学能驱动复板高速碰撞基板, 碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜, 露出了新鲜的表面, 而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区, 从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术。根据复板和基板安装形式不同, 爆炸焊接可分为平行法和角度法。平行法安装时, 复板与基板处于平行, 间隙h₀保持不变; 角度法则是复板与基板之间成一定角度α安装。

爆炸焊接复合法与其它方法的区别在于 ^[5] : (1) 高压。 (2) 高的应变速率。 (3) 作用载荷的局部性和移动性。 (4) 复合板复合界面呈现波状结合。 (5) 不受材料熔点、塑性相差悬殊的限制, 而且复合尺寸规格灵活性很大。

爆炸焊接时, 碰撞区内射流的形成是复板和基板之间能否顺利复合的必要条件之一 ^[2] 。在碰撞区内, 两层待结合的金属板碰撞表面发生类似于流体一样而且具有一定的喷射速度的行为, 一般会形成两股运动方向相反的金属射流:位于碰撞点之前的称作“再入射流”, 它实际上是从复板和基板表面上剥离下来的表面层金属。板的表面层是污染面, 产生射流的结果就是把污染面冲刷干净, 使得复板与基板露出了洁净的活性表面。在高压的作用下, 两种板材的表面就可以牢固地结合在一起了。位于碰撞点之后的称作“主体射流”, 它实际上就是被焊接好了的复合界面层, 形成复板和基板之间的强固结合。另外, 在一般的焊接条件下, 焊接界面会有波纹出现, 对子波纹形成机制, 国内外都曾提出过许多不同的模型加以解释 ^[6,7,8] 。

爆炸焊接参数是决定焊接工艺成败或优劣的关键。不同材料的复合板材, 其爆炸焊接参数是不相同的。每一种复合材料, 严格来讲都存在着相应的最佳爆炸焊接参数。爆炸焊接参数包括静态参数和动态参数 ^[2,9] 。静态参数是指在爆炸焊接工艺安装以后和炸药爆炸以前该系统在静止状态下的一些参数。如:炸药的品种、状态和数量, 金属材料的物理、力学和化学性能及其尺寸, 覆板与基板的安装形式以及当时的气候和气象条件等。一般来说, 静态参数仅指单位面积上炸药的数量 (W_g) 或装药的高度以及复板与基板之间的距离 (h₀, 或由覆板和基板决定的α角) 。动态参数就是在炸药爆炸以后, 在炸药爆炸过程中以及金属系统内处于运动和变化状态下的一些参数。这些参数的大小决定爆炸焊接的结果。如:碰撞角γ、偏转角β、炸药的爆速v_d、覆板的下落速度v_p、碰撞点c的移动速度即焊接速度v_cp和碰撞点c之前的“再入射流”速度v_f等。

可焊参数的选定通常有3种方法 ^[2,10] : (1) 近似估算法; (2) 经验公式计算法; (3) “半圆柱”法。随着计算机技术的发展, 有一些研究工作者采用了计算机辅助设计计算的方法, 可以快速地选定一种材料组合的可焊参数。评定最佳的焊接参数的标准是优质的焊接界面, 如结合强度高, 耐热、冷冲击的能力强, 耐应力腐蚀程度好和无脆性相形成等。其中焊接界面的结合强度是主要的评定指标, 它通常取决于结合区界面的形态和特征。一般说来, 均匀细小的周期性的波形结合界面, 其结合强度通常较高; 而波形畸变严重, 形成漩涡并且呈现熔化后的铸态组织等缺陷的, 通常结合强度较低, 是不理想的界面形态。

爆炸复合法主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯、多层复合板的生产。到目前为止, 采用爆炸焊接复合法已经能够成功地进行300多种金属的复合, 有50多种实用的金属组合正在投入实际使用, 如钛-钢、钛-钢-不锈钢、钛-不锈钢、钛-铜、不锈钢-钢、铜-钢、铜-银等, 单张复合板的面积已达20多平方米 ^[3,11] 。

2.2 轧制复合法

轧制复合法的基本原理是指金属板在受到轧机施加于其上强大压力的作用下, 在两层金属的待复合表面发生塑性变形, 使表面金属层破裂。随后, 洁净而活化的金属层从破裂的金属表面露出, 在强大压力作用下, 形成平面状的冶金结合。在后续的热处理过程中结合面继续扩大, 形成稳固结合。轧制复合与单金属板轧制的根本区别在于, 必须施以大的初始道次压下量, 促使复合面的物理接触。

根据轧制复合温度参数, 轧制复合法可分为热轧复合法和冷轧复合法; 冷轧复合法中, 根据轧机轧辊的转速或辊径的差异, 可分为等辊径等辊速复合法和异步轧制复合法。

2.2.1 热轧复合法热轧复合法是将待复合的金属坯料加热到一定温度, 对其施加大的压下量进行轧制变形, 在受到热和力的同时作用而使不同金属复合的一种工艺方法。一般来说, 采用热轧法生产复合板, 首先要将待复合的表面进行合适的处理, 以达洁净、活化的目的。如果两种金属组分的热轧温度相差不大, 可以采用铆接或焊接的方法进行复板和基板的组坯, 这样既防止了金属板在加热的时候发生变形, 又免去了轧制喂料时重新组坯的麻烦。如果两种金属组分的热轧温度相差较大, 最好先经过充分的试验, 在热等强温度下或者接近这个温度进行轧制。

热轧复合时界面复合机制非常复杂, 也是长期争论与研究的课题。现在得到公认的机制有 ^[12,13] : (1) 表面层裂缝机制。 (2) 再结晶机制。 (3) 扩散机制。

相对于其他复合工艺, 热轧复合法的优点有: (1) 由于是热变形, 轧制力较小, 对轧机的要求不高; (2) 工艺简单, 成本低; (3) 界面结合牢固。缺点有: (1) 当复合金属为活性金属 (如Al, Ti) 时, 加热时容易在界面形成脆性的金属间化合物; (2) 如轧制时没有保温措施, 复合金属板的长度则受到限制; (3) 复合板的厚度难以控制, 生产一致性和稳定性差, 多适合于生产厚的复合板材及板坯。

2.2.2 等辊径等辊速冷轧复合法由于热轧复合在工艺实施中存在着一定的困难, 冷轧复合法便应运而生。在20世纪50年代, 美国首先提出了表面清理、大变形复合、复合界面热扩散处理的工艺路线 ^[14] 。此后, 冷轧复合工艺在工业生产中得到了大量应用, 在某些产品的制备方面甚至取代了传统的复合工艺。此外, 这种复合工艺可以结合清洗、刷面、热处理等工艺组合成流水式生产成卷的复合材生产线, 生产效率高。

复合前, 待结合表面的处理主要是指借助化学或物理的方法清除板材受到污染的表面金属, 露出洁净、新鲜的金属层; 采取一道次大变形率是为了达到金属的临界变形率, 实现两层金属原子之间的冶金结合, 一般情况下往往需要高达60%~70%的变形率 ^[15] ; 扩散热处理是在一定温度下通过金属原子之间的进一步扩散使扩散层增厚, 增强了界面结合力。

随着等辊径等辊速冷轧技术的研究和应用, 人们对于双金属复合机制的研究也逐步深入。其中, 应用最广泛的界面结合机制主要是裂口作用机制 ^[16] 。该机制认为, 金属表面在进行表面清理过程中会形成一层加工硬化层, 它的塑性低于基体金属。在强烈的金属塑性变形过程中, 塑性差的硬化层会优先破裂露出底层新鲜的基体金属。界面两侧的新鲜金属在巨大的正压力作用下通过硬化层的裂缝挤出并且相互接触形成牢固的冶金结合。因为在压力作用下, 只有当金属表面的裂口达到一定宽度时才能完成上述过程, 所以金属界面初结合需要较大的临界变形率。有研究认为 ^[17,18] , 并非所有的金属组合都会在待复合表面产生裂口挤出基体金属, 有些金属组合只会在其中较软的金属组分发生裂口并且挤出金属, 而另外较硬的一层只会在表面产生裂口而不会挤出金属。这样, 只有较软的一层金属基体通过表面裂口挤入了较硬金属层表面的裂口, 实现了金属间的结合。

由于等辊径等辊速冷轧复合法要求较大的一次压下率, 这样大的一次压下率往往超过了一般轧机的承受能力, 板面越宽, 轧制负荷越大, 冷轧固相复合越困难。另外, 随着人们对材料性能要求的提高, 层状复合材料组分之间的性能差异越来越大, 轧制复合难度进一步增加。近些年来, 国内外研究者都千方百计的寻求降低轧制临界变形率的方法 ^[4,18] 。国内研究了对基、复材采用不同的轧制温度的异温轧制复合技术, 并采用只对铝层进行加热的工艺完成了钛-铝复合板的试制; 国外推出了控制气氛轧制复合工艺, 既可以分别控制基、复材轧制坯料的加热温度, 又可以采用带式法生产成卷的复合板带材。

2.2.3 异步轧制复合法异步轧制是20世纪60年代开始兴起的一种板带轧制生产技术 ^[19] 。异步轧制复合法是70年代提出来的一种复合板生产技术, 包括我国在内的许多国家都投入了相当的科研力量进行基础研究和推行产业化。经过30多年的发展, 虽然已经取得了大量的科研成果, 但是离大规模的实际生产应用还有一定的距离。

所谓异步轧制是以轧辊线速度不对称为主要标志特征的一种新的轧制技术。它具有以下特点: (1) 上下轧辊对金属板接触表面的摩擦力方向相反: 快速辊产生的摩擦力向前, 慢速辊产生的摩擦力向后, 在板材中间形成“搓轧区”; (2) 单位压力分布均匀, 变化平缓; (3) 对两层金属施加不同的张力, 可以增强结合界面处的搓轧作用, 而这种搓轧作用有利于降低轧制复合所需要的临界变形力。因此, 异步轧制复合法可以生产出复合强度高、表面光洁的冷轧复合薄板 ^[20] 。

异步轧制复合法的复合机制见图1所示, 一般把较硬的组元金属与快速辊对应, 较软的组元金属 (如铝板) 与慢速辊对应。异步轧制复合正是充分利用了“搓轧区”内的相对滑动:一方面, 相对滑动的界面摩擦生热, 为界面的结合提供能量; 另一方面, 相对滑动有利于接触表面的污染层和氧化

图1 双金属异步轧制示意图Fig.1 Schematic diagram of asymmetrical rolling of bimetal

膜破碎和挤出, 促进新鲜表面的生成。因此, 相对滑动有利于提高界面结合强度, 降低平均轧制压力。以铝-钢异步轧制复合为例, 选取2.0~3.0的异速比范围, 可提高结合强度2~3倍, 降低轧制压力45%以上 ^[4] 。

2.3 爆炸+轧制复合法

爆炸焊接复合法可以生产不同金属组合的层状复合板, 而且通过调整爆炸工艺参数复合板面积可以达到十几到几十平方米。但是, 爆炸复合法对于生产较薄的 (≤6 mm) 和对表面质量要求较高的层状金属复合板则比较困难; 轧制复合法虽然可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板, 但是复合板的组元成份和宽度受到轧机轧制能力限制。人们综合这两种生产方法的优缺点后, 采用先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯, 再根据不同的要求, 通过热轧或冷轧或热轧+冷轧的工艺轧制成所需的复合板。一般来说, 制备3 mm以下的层状复合板时, 轧制工艺包括热轧和冷轧两个步骤。热轧主要是为了获得要求的板材厚度, 总加工量较大; 冷轧主要是为了获得最终精确的板材厚度尺寸和理想的表面, 总加工量较小。

爆炸焊接工艺参数的优化选择对于复合板的后续加工至关重要, 主要表现在: (1) 爆炸焊接易于在结合界面产生脆性中间化合物的金属组合时, 要特别注意爆炸焊接工艺参数的选择, 否则在爆炸焊接中形成的中间化合物会给随后的热轧工序带来一些特殊的困难, 如脆性相的破碎、材料强度提高以及表面破裂等。 (2) 选择合适的爆炸工艺参数使复合板的界面呈现均匀的小波纹或平面状结合, 因为界面波的状态决定着轧制时上下层金属相互之间的牵引力是否均匀。在轧制过程中, 金属层之间均匀的牵引力是保证复层和基层金属能够同步变形的重要条件之一。 (3) 如果爆炸焊接参数选择不当造成界面波过大, 往往会导致复合板的复层金属上表面明显可见周期性变化的高低起伏的波纹, 影响复合板的表面质量。 (4) 如果爆炸焊接参数选择不当界面处有一定面积的未复合层存在, 在轧制过程中未复合区域很可能会扩大, 造成复合板结合区大面积脱粘。

轧制工艺参数的确定同样非常重要, 如道次压下量、润滑方式、热轧温度、轧制速度以及轧制方向等。对于两种性质和变形抗力相差较大的金属组合如钛-铝、钢-铝等, 在轧制过程中由于两种金属流动性的差异以及爆炸结合界面的粘滞作用, 使得易变形金属层在变形的同时牵引着难变形金属层一起流动变形, 这种变形称作牵引变形 ^[21,22] 。如果变形量适当, 在均匀牵引力的作用下两层金属会同步变形; 当变形量大到一定程度时两种金属的流动变形速度相差很大, 界面牵引力就会随着变形速度非均匀地变化, 产生不均匀牵引变形力。难变形金属层在不均匀牵引变形力的作用下发生间歇性破坏, 表现为难变形金属层表面出现间歇性裂缝流出另一层金属。图2所示的是爆炸焊接钛-铝复合板在热轧过程中道次压下率超过30%时发生在钛层表面的间歇性破坏现象。

3 结论

1.爆炸焊接、轧制、爆炸+轧制复合法是3种主要的层状金属复合板的生产方法。