科技新進展：不銹鋼基層狀復合材料低成本高效成形技術！
2023-09-25 17:17:49
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、較高的塑性和韌性，廣泛應用于海洋工程、建筑裝飾、交通運輸、石油化工、國防軍工和日常生活等領域。然而，不銹鋼中Cr、Ni、Mo等貴重金屬元素的添加導致其成本較碳鋼顯著提高，這也限制了不銹鋼在更廣泛領域的推廣應用。金屬層狀復合材料兼具了多種金屬材料的優異性能，能夠實現結構和功能的一體化設計，同時可以節省貴重金屬材料的用量，大幅降低成本。因此，以不銹鋼作為基層的金屬層狀復合材料在具備不銹鋼優異性能的同時可以進一步降低成本（如不銹鋼/碳鋼層狀復合材料）或滿足不同耐腐蝕環境（鈦/不銹鋼層狀復合材料），可以作為不銹鋼材料的替代品滿足更多領域的應用需求，具有廣泛的應用前景和市場。目前，工業化生產中普遍采用爆炸+軋制或真空熱軋復合的方法成形不銹鋼基層狀復合材料，但爆炸復合環境不友好、生產效率低、產品尺寸規格受限，因此逐步被真空熱軋復合技術所替代。真空熱軋復合技術采用成形的板材為原料，首先需要進行基層和覆層的表面處理、組坯、焊接、抽真空等工序，工藝繁雜且流程長，導致生產效率低、成本高；隨后，在高溫下進行熱軋制備不同規格的不銹鋼基層狀復合材料，熱軋過程中復合界面區域不可避免地形成氧化物、孔洞和脆性相，降低不銹鋼基層狀復合材料的界面結合強度，限制了后續加工和應用。因此，開發不銹鋼基層狀復合材料的高效、短流程、低成本制備技術，提高不銹鋼基層狀復合材料的性能并降低生產成本是不銹鋼基層狀復合材料制備急需解決的問題。與現有技術相比，液-固復合連鑄技術在金屬層狀復合材料生產過程中具有工藝流程短、成本低、效率高且易于實現組織性能調控等特點。然而，由于不銹鋼熔點高，對液-固復合設備結構和穩定性要求較高，現有液-固復合連鑄技術在生產不銹鋼基層狀復合材料時面臨基層金屬材料的組織易粗化、熔蝕，以及產品尺寸規格受限等問題。因此，需要突破現有技術瓶頸，開發不銹鋼基層狀復合材料液-固復合連鑄新技術及裝備，實現厚規格不銹鋼基層狀復合材料的低成本高效成形。此外，對于薄規格不銹鋼基層狀復合材料，冷軋復合的產品板形平直，尺寸精度高，由于省去了加熱及精整工序，生產效率有很大的提升，降低了能耗，節約了生產成本。但利用冷軋生產不銹鋼基層狀復合材料時，軋機負荷較大且界面結合強度不高，這也是限制冷軋復合法廣泛應用的重要原因。因此，開發新型不銹鋼基層狀復合材料高效成形技術及裝備，實現高性能不銹鋼基層狀復合材料的短流程、高效率和低成本制備具有重要的經濟和社會效益。針對不銹鋼基層狀復合材料制備存在的問題，北京科技大學劉雪峰教授團隊提出將反向凝固原理和連鑄技術相結合，連鑄開始時使高溫不銹鋼液在固態碳鋼基層表面快速發生初始凝固形成覆層保護層，防止后續液-固連鑄復合過程中碳鋼基層的組織粗化和熔蝕，隨后在控溫反向凝固器內將初始凝固的覆層回熔去除復合界面的孔洞和氧化物等缺陷，同時進一步使碳鋼基層表面與不銹鋼液接觸，實現碳鋼表面微熔和復合界面的元素擴散，并基于正/反向凝固原理調控界面和覆層組織性能，在此基礎上發明了獲授權多項國家發明專利的不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料液-固復合連鑄成形技術，其原理如圖1所示。
圖1 不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料液-固復合連鑄成形技術原理圖根據上述思路，項目團隊設計制造了獲授權國家發明專利的不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料液-固復合連鑄成形設備，如圖2所示。該設備主要包括熔煉坩堝、碳鋼基層保護裝置、反向凝固器、水冷鑄型、冷卻器和牽引機構等。當進行不銹鋼包覆碳鋼液-固復合連鑄時，首先在熔煉坩堝中進行不銹鋼的熔煉，然后不銹鋼液通過熔煉坩堝底部流入反向凝固器，碳鋼基層在牽引機構作用下通過碳鋼基層保護裝置，進入反向凝固器內與不銹鋼液接觸，不銹鋼液在碳鋼基層表面快速凝固形成初始反向凝固層，緊接著碳鋼基層在反向凝固器內運動過程中初始反向凝固層逐漸回熔，使碳鋼表面與不銹鋼液再次接觸發生微熔，最終在水冷鑄型的作用下實現正/反向凝固，連續制備出不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料。該技術工藝流程短、設備簡單、成本低、覆層均勻、基層不易熔蝕和氧化、復合界面組織和覆層組織可控、復合界面結合強度高、表面質量好，易于實現近終形成形。圖2 不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料液-固復合連鑄成形實驗設備此外，針對現有冷軋復合成形薄規格不銹鋼基層狀復合材料時存在的軋機負荷大且界面結合強度不高等問題，項目團隊發明了獲授權國家發明專利的不銹鋼基層狀復合材料冷-熱軋制復合成形技術，其工藝流程如圖3所示。首先對基、覆層材料的待復合面進行機械打磨處理，然后在空氣氛圍中對層疊坯料進行冷軋預復合成形，使復合界面形成緊密的機械嚙合；接著在空氣氛圍中加熱后進行熱軋，使復合界面發生元素擴散實現冶金結合，并且可以后續熱處理，獲得界面為強冶金結合的不銹鋼基層狀復合材料（如不銹鋼/碳鋼層狀復合材料、鈦/不銹鋼層狀復合材料）。不銹鋼基層狀復合材料冷-熱軋制復合成形技術無需真空或保護氣氛，有利于實現高性能不銹鋼基層狀復合材料的短流程、高效率、低成本制備。圖3 不銹鋼基層狀復合材料冷-熱軋制復合成形工藝流程示意圖1、發明了不銹鋼包覆碳鋼液-固復合水平連鑄成形新技術，發明了液-固復合水平連鑄成形設備，制備了高質量高性能不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料針對傳統的不銹鋼/碳鋼層狀復合材料液-固復合連鑄成形時，碳鋼基層組織粗化、易熔蝕，復合界面和覆層質量不高且難以同步調控等問題，將反向凝固原理和連鑄技術相結合，能夠防止碳鋼基層的組織粗化，并且通過在反向凝固器內完成不銹鋼液的初始凝固和回熔以及碳鋼表面的微熔實現了對復合界面質量和元素擴散的調控，同時基于正/反向凝固原理同步調控界面和覆層質量，在此基礎上發明了不銹鋼包覆碳鋼液-固復合連鑄成形技術和設備，制備了高質量高性能不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料。2、揭示了近界面鐵素體基體上碳化物的形成機理及其對消除脫碳層、抑制滲碳層碳化物析出和強化復合界面的作用機制在不銹鋼包覆碳鋼液-固復合連鑄過程中，經快速反向凝固和回熔后，碳鋼基層表面溫度升高且氧化物被完全去除，碳鋼表面與不銹鋼液接觸形成Cr、C元素混合均勻的微熔區，隨后冷卻凝固過程中界面元素發生互擴散，最終形成均勻分布的碳化物；界面碳化物的形成顯著降低了復合界面與近界面不銹鋼側的C原子化學勢梯度，阻礙了C原子向不銹鋼擴散，消除了近界面碳鋼側脫碳層，抑制了滲碳層中碳化物析出；界面碳化物的共格強化和析出強化作用，以及脫碳層和滲碳層碳化物的消除提高了不銹鋼包覆碳鋼層狀復合材料的界面抗剪強度。3、發明了不銹鋼基層狀復合材料冷-熱軋制復合成形技術，制備了綜合性能優異的薄規格不銹鋼/碳鋼層狀復合板和鈦/不銹鋼層狀復合板實現了非真空或保護氣氛條件下不銹鋼基層狀復合材料的連續制備，提高了復合界面的結合率并獲得了均勻一致的強冶金結合復合界面，顯著降低了界面脆性相的含量，制備出了高界面結合質量和綜合性能優異的不銹鋼/碳鋼層狀復合板和鈦/不銹鋼層狀復合板，實現了薄規格不銹鋼基層狀復合材料的短流程、高效率、低成本制備。北京科技大學劉雪峰教授團隊利用發明的液-固復合連鑄成形技術和設備開展了304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復合材料的復合成形，成功制備了橫截面尺寸為23mm×48mm，長度超過1m，層厚比為4:15:4和6:11:6的304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復合材料，其宏觀照片如圖4所示。圖4 層厚比為4:15:4和6:11:6的304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復合材料304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復合鑄坯的碳鋼基層尺寸精確、不銹鋼覆層均勻，上述兩種層厚比復合鑄坯的抗拉強度可達500MPa以上、復合界面抗剪強度可達450MPa以上，其抗拉強度和復合界面抗剪強度已經與真空熱軋制備的不銹鋼/碳鋼層狀復合材料相近。發明了304不銹鋼包覆Q235碳鋼層狀復合鑄坯的熱軋工藝，制備的不銹鋼包覆碳鋼層狀復合板表面質量和板形良好，界面抗剪強度可達500MPa，遠超國標《GB/T8165-2008不銹鋼復合鋼板和鋼帶》中Ⅰ級復合板標準要求的210MPa，界面結合率為100%，在彎曲部分的外側無裂紋，綜合力學性能及耐腐蝕性能優異。利用冷-熱軋制復合成形技術制備的薄規格鈦/不銹鋼層狀復合板的界面結合強度可達280MPa以上，遠超《GB∕T 8546-2017鈦-不銹鋼復合板》中0類鈦/不銹鋼復合板的界面結合強度標準要求的196 MPa，界面結合率為100%，180°內彎或外彎界面均不分層；制備的薄規格不銹鋼/碳鋼層狀復合板的界面剪切強度超過350MPa，界面結合率為100%，在彎曲部分的外側無裂紋，綜合力學性能及耐腐蝕性能優異。
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