一、研究的背景與問題
金屬復(fù)合板因其優(yōu)良的綜合性能具有獨(dú)特優(yōu)勢，大量應(yīng)用于國家重點(diǎn)工程。項(xiàng)目開始之初，主要采用爆炸復(fù)合法生產(chǎn)，但因其存在的缺陷無法實(shí)現(xiàn)國家重點(diǎn)工程、大型裝備關(guān)鍵材料的自主保障。復(fù)合板從傳統(tǒng)爆炸復(fù)合，低效能工藝，走到應(yīng)用鋼鐵大流程創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高效簡約工業(yè)化生產(chǎn)，是我國復(fù)合材料發(fā)展的一次革命。
軋制復(fù)合法是一種通過真空焊接組坯，經(jīng)加熱、軋制使基復(fù)材實(shí)現(xiàn)良好冶金結(jié)合的復(fù)合板制備方法，可實(shí)現(xiàn)高效簡約工業(yè)化生產(chǎn)，是一種綠色、環(huán)保、可持續(xù)的生產(chǎn)工藝，可滿足國家重大工程對高品質(zhì)復(fù)合板日益嚴(yán)苛的性能需求。但在界面元素?cái)U(kuò)散、脆性相產(chǎn)物、基復(fù)材協(xié)同變形、組織性能協(xié)同調(diào)控等方面存在諸多難題。
1.復(fù)合板界面易產(chǎn)生脆性相等金屬間化合物，導(dǎo)致界面性能差，亟需突破異種金屬復(fù)合板界面產(chǎn)物調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合板界面的強(qiáng)冶金結(jié)合；
2.異種金屬復(fù)合板基復(fù)材組織性能調(diào)控難度大，如何突破金屬復(fù)合板基復(fù)材的協(xié)調(diào)變形及其組織性能的綜合調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多品種復(fù)合板組織性能的協(xié)同控制，成為復(fù)合板高質(zhì)量、高效率、低成本發(fā)展的瓶頸；
3.不同品種金屬復(fù)合板基復(fù)材的變形抗力差異較大，尤其是難變形合金復(fù)合板協(xié)同變形困難，如何協(xié)調(diào)不同類型復(fù)合板基復(fù)材之間的變形，提高制坯效率是獲得高質(zhì)量金屬復(fù)合板需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)之一；
4.相關(guān)工程建造領(lǐng)域缺乏軋制復(fù)合板產(chǎn)品的成型技術(shù)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對高品質(zhì)軋制復(fù)合板的批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用帶來了極大的阻礙。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
鑒于此，東北大學(xué)聯(lián)合南鋼、湘鋼、鞍鋼等企業(yè)，在國家863、十三五、十四五等重點(diǎn)項(xiàng)目持續(xù)資助下，在界面元素?cái)U(kuò)散、脆性相產(chǎn)物、基復(fù)材協(xié)同變形、組織性能協(xié)同調(diào)控等方面開展了系統(tǒng)研究。經(jīng)二十余年的自主創(chuàng)新，揭示了復(fù)合板界面物理冶金原理，開發(fā)出界面及基復(fù)材組織性能協(xié)同調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，解決了鋼-鋼、鋼-鎳、鋼-鈦等材料復(fù)合的系列技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了50余種復(fù)合板的大工業(yè)流程生產(chǎn)和應(yīng)用。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、高真空-高溫-強(qiáng)變形多場耦合下的復(fù)合界面愈合機(jī)制。
（1）提出了復(fù)合界面元素?cái)U(kuò)散的調(diào)控機(jī)制。通過優(yōu)化加熱溫度、壓下率等軋制窗口有效控制了界面擴(kuò)散和結(jié)合性能，通過調(diào)整軋后冷卻方式減少了析出相，實(shí)現(xiàn)了界面元素精準(zhǔn)擴(kuò)散與析出相控制，顯著提升復(fù)合板剪切強(qiáng)度。如圖1，316L/Q345不銹鋼復(fù)合板在1200oC-60%總壓下率工藝下，界面結(jié)合強(qiáng)度≥433MPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)熱軋復(fù)合和國標(biāo)要求。
圖1 界面微觀組織和元素?cái)U(kuò)散行為和剪切性能
（2）揭示了不銹鋼復(fù)合板結(jié)合機(jī)理。不銹鋼復(fù)合板界面無明顯產(chǎn)物，通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成新的晶粒，GND密度低，利于基復(fù)材協(xié)調(diào)變形。界面兩側(cè)原子排列呈K-S和N-W取向關(guān)系的半共格界面，如圖2，促進(jìn)界面冶金結(jié)合。
圖2 不銹鋼復(fù)合界面的高分辨透射表征
（3）揭示了節(jié)鎳奧氏體不銹鋼復(fù)合板界面復(fù)合機(jī)理及氫脆抗性，半共格界面及穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)使復(fù)合板具有優(yōu)異的氫脆抗性，復(fù)合板長時(shí)間充氫后延伸率損失低于15%，強(qiáng)度高于1.1Gpa，優(yōu)于現(xiàn)有應(yīng)用的其他儲(chǔ)氫用金屬材料，性能對比如圖3。
圖3 儲(chǔ)氫用不銹鋼復(fù)合板與其它金屬材料的性能對比
（4）首次揭示鈦/鋼復(fù)合界面產(chǎn)物全流程演化機(jī)制。傳統(tǒng)爆炸工藝認(rèn)為界面形成Ti-Fe金屬間化合物利于復(fù)合。我們研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)TiC薄層抑制Ti-Fe化合物生成，TiC顆粒形態(tài)和分布可控，其釘扎效應(yīng)提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，如圖4，顛覆了傳統(tǒng)爆炸復(fù)合理論；復(fù)合板無中間層，界面剪切強(qiáng)度＞300 MPa。精準(zhǔn)控制C元素?cái)U(kuò)散和TiC形成是實(shí)現(xiàn)鈦/鋼復(fù)合板高強(qiáng)度結(jié)合的關(guān)鍵。
圖4 鈦/鋼復(fù)合界面產(chǎn)物
2、基復(fù)材協(xié)調(diào)變形下的多品種復(fù)合板高溫控軋及熱處理全流程生產(chǎn)技術(shù)。
（1）開發(fā)了“高溫控軋+TMCP+在線固溶”組織性能一體化調(diào)控技術(shù)，通過高溫控軋實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合性能，高溫控軋+TMCP提升基材力學(xué)性能，TMCP+在線固溶確保復(fù)材耐蝕性能，通過對控軋控冷綜合調(diào)控，形成了橋梁用、管線用、化學(xué)品船用復(fù)合板等50余種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝規(guī)范，典型產(chǎn)品性能如圖5。
圖5 典型橋梁用、管線用、化學(xué)品船用復(fù)合板性能指標(biāo)
（2）開發(fā)了非對稱組坯、對稱組坯+復(fù)板邊條等差異化組坯封裝技術(shù)，如圖6。針對基復(fù)材變形抗力差異顯著的鎳基合金復(fù)合板，通過邊條強(qiáng)約束增加難變形復(fù)板變形驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形。
圖6 組坯封裝工藝路線圖
（3）開發(fā)了大小道次壓下率相結(jié)合的軋制規(guī)程再分配工藝。粗軋階段高溫大壓下實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合，精軋階段低溫小壓下細(xì)化晶粒、提升性能。生產(chǎn)現(xiàn)場照片如圖7所示。
圖7 復(fù)合板生產(chǎn)現(xiàn)場及工藝參數(shù)
（4）開發(fā)了復(fù)合板殘余應(yīng)力全流程調(diào)控技術(shù)。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，調(diào)整優(yōu)化軋制規(guī)程、熱處理及矯直工藝，有效降低復(fù)合板殘余應(yīng)力。
（5）基于界面真空度和焊接效率優(yōu)化復(fù)合板封裝工藝，通過多路徑封焊平衡生產(chǎn)需求。其中，通過真空電子束焊封裝獲得高性能產(chǎn)品，通過埋弧焊封裝實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)。兩者相結(jié)合，顯著提升生產(chǎn)效率。
3、針對不同應(yīng)用領(lǐng)域特性要求的高品質(zhì)復(fù)合板成形技術(shù)。
（1）開發(fā)了軋制復(fù)合板封頭沖壓、大板幅折彎等成形技術(shù)，確保基復(fù)層協(xié)同變形，解決了過度擠壓、層間結(jié)合性能下降等問題，如圖8、圖9。
圖8 封頭成型工藝
圖9 大板幅不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用
（2）開發(fā)出焊接界面元素?cái)U(kuò)散控制技術(shù)、高合金復(fù)層焊縫組織調(diào)控技術(shù)、薄規(guī)格復(fù)合板高效焊接技術(shù)和焊接裂紋敏感性評價(jià)技術(shù)，解決了焊道厚度把控困難、晶粒粗大、碳氮化合物析出導(dǎo)致耐蝕性下降等問題。
焊接界面元素?cái)U(kuò)散控制技術(shù)應(yīng)用于500MPa級高強(qiáng)度S31603/Q500qE橋梁用不銹鋼復(fù)合板的焊接，如圖10。
圖10 橋梁用復(fù)合板焊縫組織
高合金復(fù)層焊縫組織調(diào)控技術(shù)解決了鎳基合金管線復(fù)合板/管復(fù)層晶間腐蝕及點(diǎn)腐蝕不易達(dá)標(biāo)等問題，實(shí)現(xiàn)S31603/L415M管線用復(fù)合板的焊接，如圖11。
圖11 管線鋼復(fù)合板的焊接
采用薄規(guī)格復(fù)合板高效焊接技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了化學(xué)品船用薄規(guī)格（2+6mm）雙相不銹鋼復(fù)合板的高效焊接，如圖12。
圖12 雙相不銹鋼復(fù)合板焊接與應(yīng)用
可調(diào)剛性拘束復(fù)合板焊接裂紋敏感性評價(jià)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了S30403/Q345R容器用復(fù)合板的高效焊接，應(yīng)用于巴斯夫湛江一體化基地項(xiàng)目的聚合物反應(yīng)釜，如圖13、圖14。
圖13 可調(diào)剛性拘束復(fù)合板焊接裂紋敏感性評價(jià)
圖14 壓力容器復(fù)合板的焊接
四、應(yīng)用情況與效益
東北大學(xué)于2005年國內(nèi)最先開始真空軋制復(fù)合技術(shù)的研究和開發(fā)，2008年將該技術(shù)應(yīng)用于濟(jì)鋼生產(chǎn)特厚鋼板，2009年開始將該技術(shù)拓展到金屬復(fù)合板的研發(fā)。
2016年在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)軋制復(fù)合板在梅汕鐵路大橋的使用，并陸續(xù)開發(fā)了Q370qE、Q420qE、Q500qE等系列橋梁不銹鋼復(fù)合板。2017年后陸續(xù)應(yīng)用于五峰山長江大橋、鳊魚洲長江大橋、濰萊鐵路大橋、常泰長江大橋等國內(nèi)重大工程，合計(jì)供貨超10萬噸。其中，為世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋-常泰長江大橋供貨6700噸復(fù)合板，是國際上首次應(yīng)用500MPa級高強(qiáng)度S31603/Q500qE橋梁不銹鋼復(fù)合板；另外，項(xiàng)目組為世界上最大跨度通水通航渡槽-引江濟(jì)淮渡槽供貨3754噸S31603/Q345qD復(fù)合板，該項(xiàng)目獲2023年國際橋梁大會(huì)“亞瑟×海頓獎(jiǎng)”（橋梁界的諾貝爾獎(jiǎng)），如圖15。
圖15 橋梁用不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用
船用不銹鋼復(fù)合板在國內(nèi)船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)0到1的首次應(yīng)用突破，供貨荷蘭Van Oord風(fēng)電安裝船、上海鼎衡6400DWT化學(xué)品船、菲律賓Marinelink Tankers 化學(xué)品船等，累計(jì)供貨超2000噸，如圖16。項(xiàng)目組供應(yīng)復(fù)合板建造的“鼎衡30”成為國際首艘應(yīng)用雙相不銹鋼復(fù)合板建造的化學(xué)品船。
圖16 船用不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用
管線用復(fù)合板成功供貨順北油田塔里木河穿越工程、迪那2氣田開發(fā)工程等石油輸送管道項(xiàng)目，如圖17；高附加值的鎳基合金管線鋼復(fù)合板N08825/X65QS也實(shí)現(xiàn)了批量供貨，由浙江久立、蘇州羅克萊等企業(yè)實(shí)現(xiàn)了石油輸送管道的良好應(yīng)用。
圖17 管線用不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用
容器用復(fù)合板成功供貨森松重工、張家港富瑞特種裝備、蘭石重裝等知名容器制造廠。所供的S30403/Q345R容器用不銹鋼復(fù)合板制作的聚合物反應(yīng)釜成功應(yīng)用于“一帶一路”巴斯夫湛江一體化基地項(xiàng)目。鎳基合金容器鋼復(fù)合板N06625/SA516Gr60N實(shí)現(xiàn)批量供貨，成功供貨蘭石重裝石化工程儲(chǔ)罐容器。鈦/鋼復(fù)合板應(yīng)用于反應(yīng)塔出口煙道和火電廠煙囪等環(huán)保工程，性能優(yōu)良，如圖18。
圖18 容器用不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用
項(xiàng)目組牽頭或參與制定標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)（國家標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)），使VRC技術(shù)在不同產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用變?yōu)榭赡堋ｍ?xiàng)目自2005年開始以來，采用該技術(shù)生產(chǎn)軋制復(fù)合板21.15萬噸，累計(jì)產(chǎn)值21.52億元，累計(jì)利稅6.14億元；近三年產(chǎn)量12.28萬噸，近三年累計(jì)實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值12.76億元，新增利稅3.71億元。
項(xiàng)目組攻堅(jiān)克難積累多項(xiàng)研究成果，授權(quán)發(fā)明專利26項(xiàng)、發(fā)表論文38篇、出版專著4部，認(rèn)定企業(yè)專有技術(shù)21項(xiàng)?！妒澜缃饘賹?dǎo)報(bào)》多次報(bào)道，并給予高度評價(jià)“東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)率先開展真空軋制復(fù)合技術(shù)研究，構(gòu)建我國低成本容器鋼復(fù)合板設(shè)計(jì)制造技術(shù)理論體系”，并指出“該技術(shù)必將成為我國未來復(fù)合板制備的主流生產(chǎn)技術(shù)?！?/p>
復(fù)合板從傳統(tǒng)爆炸復(fù)合，低效能，走到鋼鐵大流程創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高效簡約化生產(chǎn)，是我國金屬復(fù)合材料發(fā)展的一次革命。
