Titanium is a silver white transition metal with high specific strength and strong corrosion resistance, widely used in important fields such as aerospace, marine vessels, and petrochemicals. However, the high price of pure titanium has to some extent limited its application in civilian industry. Therefore, titanium is combined with ordinary steel plates to produce titanium/steel composite plates, which not only meet the requirements of strength but also have good corrosion resistance. Ti Fe compounds are easily formed at the interface of titanium/steel composite plates. Currently, there are two main methods to control the formation of Ti Fe brittle phases: one is to increase the intermediate layer, which reduces the diffusion of Fe atoms and lowers the formation of Ti Fe compounds; The second is to suppress the formation of Ti Fe compounds by controlling the generation of interface product TiC. Studies have shown that the order of free energy of interface compounds is TiFe>TiFe2>β - Ti>TiC, do đó TiC được hình thành dễ dàng nhất ở bề mặt tiếp xúc. Sau khi đạt độ dày tối ưu của lớp TiC liên tục và đồng nhất, việc cải thiện độ bền liên kết của tấm composite có lợi nhưng khó kiểm soát trong thực tế sản xuất công nghiệp. Wu Jingyi và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm các vật liệu xen kẽ khác nhau lên cấu trúc vi mô và tính chất của tấm composite titan/thép, chẳng hạn như lớp xen kẽ Ni, lớp xen kẽ Fe, lớp xen kẽ Nb, v.v. Yang và cộng sự. nghiên cứu rằng trong các điều kiện nhiệt độ cán khác nhau, bề mặt tiếp xúc của lớp xen kẽ Ni không tạo thành các hợp chất giòn TiC và TiFe ở 800 độ và 900 độ, với cường độ cắt trung bình lần lượt là 310 MPa và 224 MPa. Xie và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của lớp xen kẽ Nb trên bề mặt tiếp xúc của tấm composite titan/thép trong các điều kiện nhiệt độ cán khác nhau. Nghiên cứu cho thấy ở nhiệt độ 800 độ và 900 độ, các hợp chất giòn TiC và TiFe không được hình thành ở bề mặt tiếp xúc composite và cường độ cắt trung bình đạt 279 MPa.
Nghiên cứu trên chỉ ra rằng việc thêm một lớp trung gian có thể ngăn chặn sự khuếch tán của các thành phần giao diện một cách hiệu quả. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trên đều dựa trên các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và các vật liệu xen kẽ đắt tiền như Ni và Nb được chọn cũng hạn chế các ứng dụng công nghiệp của chúng. Nghiên cứu này nhằm mục đích ứng dụng công nghiệp, sử dụng SL3 làm lớp xen kẽ để xác minh xem có thể đạt được sự tồn tại của vật liệu hàn trong quá trình gia nhiệt cán hay không, sau đó thông qua composite cán để cải thiện độ bền liên kết của tấm composite. Dựa trên dây chuyền sản xuất thực tế của doanh nghiệp, quy trình cán chân không được sử dụng để nghiên cứu và ảnh hưởng của việc bổ sung sắt nguyên chất điện từ DT4 và vật liệu hàn gốc niken vô định hình SL3 lên cấu trúc vi mô và tính chất của tấm composite titan/thép được nghiên cứu một cách có hệ thống.
Nghiên cứu này áp dụng phương pháp lắp ráp phôi đối xứng và xếp chồng các phôi theo cấu trúc của "tác nhân cách ly titan lớp thép xen kẽ, tác nhân cách ly thép xen kẽ titan". Phương pháp cán composite này có thể ngăn chặn hiệu quả biến dạng uốn của tấm composite trong quá trình cán và nâng cao hiệu quả sản xuất tấm composite titan/thép. Một miếng đệm có độ dày khoảng 0,3 mm được áp dụng giữa titan (miếng đệm được tạo ra bằng cách nung nóng và trộn magie oxit nhẹ, thủy tinh và rượu polyvinyl) để tránh bám dính trong quá trình lăn. Hàn kín bốn mặt được thực hiện bằng hàn hồ quang chìm và một lỗ được khoan ở một đầu theo hướng cán. Nhóm bơm chân không giai đoạn đầu tiên bao gồm bơm cơ học và bơm Roots được sử dụng để hút bụi, như trong Hình 1. Khi độ chân không đạt dưới 5 Pa, quá trình hàn kín được thực hiện và cuối cùng nó được gửi đến nhà máy thép để lăn. Phôi được nung nóng đến 880 độ trong lò điện trở để bàn, giữ trong 4 giờ và cán 16 lần ở nhiệt độ cán (850 ± 10) độ, với tỷ lệ nén tổng thể khoảng 90%.
Lấy mẫu ở mép vị trí chính giữa của phôi và theo tiêu chuẩn GB/T 6396-2008, các tính chất cơ học của bảng tổng hợp được kiểm tra bằng máy tính WAW-600 kW có độ chính xác Cấp 1 - Máy kiểm tra vạn năng điện tử có điều khiển. Hiệu suất cắt được xác định bằng phương pháp cắt căng. Mẫu đã được đánh bóng và đánh bóng. Mặt thép đầu tiên bị ăn mòn bằng cồn axit nitric 4%, sau đó mặt titan bị ăn mòn bằng hỗn hợp axit hydrofluoric, axit nitric và nước (2:1:17). Cấu trúc giao diện được quan sát bằng kính hiển vi kim loại Axiolab5 (JX32), và bề mặt giao diện và vết nứt của tấm composite được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét Axia ChemiSEM LoVac, sau đó là phân tích quang phổ tán sắc năng lượng (EDS).
Tính chất cơ học
Bảng 2 cho thấy các tính chất cơ học của tấm composite với các lớp xen kẽ khác nhau. Độ bền cắt của cả hai tấm composite lớn hơn 140 MPa được chỉ định trong tiêu chuẩn GB/T 8547-2019. Độ bền cắt của tấm composite với lớp xen DT4 đạt 187,4 MPa, và độ bền cắt của tấm composite với lớp xen SL3 là 148,6 MPa. Vật liệu lớp xen kẽ trung gian không có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính kéo và năng lượng hấp thụ tác động lớn hơn 27 J được chỉ định trong tiêu chuẩn GB/T 700-2006. Năng lượng hấp thụ tác động của việc thêm chất nền của tấm composite xen kẽ DT4 thấp hơn một chút so với năng lượng hấp thụ tác động của việc thêm tấm composite xen kẽ SL3. Hai loại tấm composite đã được thử nghiệm uốn (uốn bên trong 180 độ, uốn bên ngoài 105 độ) và không tìm thấy vết nứt nào.
Cấu trúc vi mô
Hình 2 cho thấy cấu trúc vi mô của giao diện của các tấm composite với các vật liệu xen kẽ khác nhau. Hình 2 (a) cho thấy cấu trúc vi mô giao diện của tấm composite có thêm lớp xen kẽ DT4. Cấu trúc hạt ở lớp nền có dạng dải, chủ yếu bao gồm ferit và ngọc trai. Tuy nhiên, kích thước hạt ở lớp xen kẽ DT4 không đồng đều, chỉ có một số hạt nhỏ và hạt thô là ferit. Độ dẻo và độ dẻo dai kém và dễ bị gãy dưới lực cắt tại vị trí này. Hình 2 (b) cho thấy cấu trúc giao diện của tấm composite có thêm lớp xen kẽ SL3. Lớp nền chủ yếu bao gồm ngọc trai và ferit, với lớp khử cacbon có chiều rộng khoảng 50 μ m ở mặt thép. Một dải khuếch tán màu đen xám rõ ràng được hình thành ở mặt titan và cấu trúc ở mặt titan có đường kính khoảng 80 μm có dạng hình que. Do Fe là nguyên tố ổn định của - Ti nên sự hòa tan của Fe trong Ti làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp eutectoid của Ti, pha - tạo mầm và phát triển thành pha - khi nguội đi. Theo Bảng 1, hàm lượng carbon của vật liệu bánh sandwich SL3 tương đối cao, ở mức 0,06%. Sự khuếch tán của nguyên tố C có nhiều khả năng hình thành lớp TiC và lớp TiC dày hơn sẽ làm giảm độ bền liên kết giữa các bề mặt.
