前言
鈦因其優良的耐腐蝕性而被大量用作各種化學反應容器、熱交換器材料，但缺點是成本較高。特別是作為結構部件使用時這個問題尤為突出，有效的解決方法就是使用鈦鋼復合板。鈦與普通鋼的復合材稱之為鈦鋼復合材，既有鈦的耐蝕性，又有普通鋼板作為結構物的強度，重要的是成本也大幅度下降了。
近年來，鈦鋼復合板又增添了新用途，即在海洋土木領域開始適用于鋼構造物的防蝕材。這不僅是因其成本較低，作為主體的鋼構造物的焊接安裝來看，也必須采用鈦鋼復合板。
鈦鋼復合板的概述
何謂鈦鋼復合板？
在《英和詞典》上的「CLAD」是指「特別是將防蝕金屬包覆在別的金屬上」。《鋼鐵便覽》上的「復合鋼板」則是指將「一般普通鋼板與其它金屬復合」。即鈦鋼復合板是指將在一般普通鋼板的表面用耐蝕性好的金屬鈦包覆，普通鋼板的耐蝕性自然就提高了。
在JIS標準中，該板主要用于壓力容器、鍋爐、核反應堆、 貯存器等，采用的均是厚度達8mm以上的復合鋼，其規格號為G3603。
鈦鋼復合板的歷史
日本鈦加工材的生產始于1954年，鈦鋼復合板則始于1962年。那時的生產方法稱之為「爆炸復合法」，憑借炸藥的爆發能而接合的一種方法。1986年開發了熱軋法，厚板軋制法。1990年又開發了連續熱軋帶卷的生產法，主要是指薄板的生產。
鈦鋼復合板的應用領域
爆炸法、厚板軋制法制造的鈦鋼復合板為厚板，其用途主要用作耐蝕性構造材料。高純度對酞酸設備等的化工設備、冷凝器的管板用在發電設備上。
連續熱軋制造的鈦鋼復合板為薄板，主要用在海洋鋼構造物的襯里，應用領域為海洋土木。
鈦鋼復合板的制造方法
一般復合鋼板的制造方法有：填充金屬鋼錠軋制法、爆炸復合法、軋制壓接法、堆焊法等。鈦鋼復合板的場合，考慮到鈦的特性，工業上常采用爆炸復合法或軋制壓接法，而實際的生產方法則包括①爆炸復合法，軋制壓接法又包括②厚板軋制法③與連續熱軋法。爆炸復合法通常是在常溫下進行的，軋制壓接法是將板組裝、加熱軋制。
爆炸復合法
爆炸復合法的要點:首先將欲壓接的2張金屬板之間保持一定間隔放置,在其上面再放上適量炸藥。由炸藥的一端起爆，爆炸速度每秒數千米，憑借該爆發能鈦板從基材鋼板的角度碰撞。在該碰撞點基材鋼板與鈦板因非常大的變形速度與超高壓下顯示出流體行為，兩金屬表面的氧化膜、氣體吸附層作為金屬噴流而排除掉，干凈的面與面之間的接合就在瞬間完成，稱之為冷接合。
采用該法制造的鈦鋼復合板可繼續熱軋至板厚為4mm，所以又稱為爆炸復合法。
厚板軋制法
厚板軋制法最初將鈦板（復合材）與鋼板（基材）以嵌入式的板坯組裝。這時，在鈦板與鋼材之間放入合適的中間嵌入材，再在高真空下采用電子束焊接。最后放入加熱爐加熱后，在厚板軋機上強壓軋到所要求的厚度，這樣鈦板與鋼板則真正接合了。最后將外圍切割，分離為2張板。
連續熱軋法
連續熱軋法與厚板軋制法基本相同，所不同的是2張板中間加入的是鋼板，在大氣下進行電弧焊接，最后在連續熱軋機上連續軋至所要求的厚度，以帶卷形式取出。最后將外圍切割，分離為2張板。
應用領域：
設備領域
在設備領域的應用主要是指先前所述的類似的對酞酸制造設備的化工設備、發電廠用冷凝器管板的電力設備。特別是電力領域的發貨量已累計達到1000張以上。該領域是鈦鋼復合板的支柱產業。最近的話題：造紙廠的漂白處理槽、污水處理廠的次亞氯鹽酸苛刻鈉處理槽也在使用鈦鋼復合板。
海洋土木領域
海洋構造物的維護問題
日本四面臨海,經濟活動的基地設在近海區,隨著經濟發展的需要，流通、交通、城市功能等設施的空間正在利用海域，并且從過去的內海、內灣的淺海域向現在的外海、深海域發展。為此,日本設立了超大型浮式技術研究小組,對數公里規模,耐用100年的超大型浮式海洋構筑物進行了理論研究和實地試驗。而鈦材具有優良的腐蝕性能,在海水環境下溶出離子極少,無毒性,不必擔心污染環境等優點,因而成為海洋構筑物的首選材料。
鈦鋼復合板的開發
正如表1所述的那樣,鈦在流動的海水中具有非常優良的耐蝕性,目前有兩種方法使鈦材能夠作為海洋構筑物防蝕材。一種是把鈦薄板和有機系防蝕材制成復合包覆材;第二種方法是用鈦鋼復合板包覆焊接到新建的建筑物上。就第二種方法而言,尚存在二種問題,其一就是將鈦作為襯里的接合問題。僅鈦獨自用作構筑物在經濟上是不成立的。只有充分發揮鈦的耐蝕性能,將構筑物主體用鋼制造才是經濟的。然而將鈦 直接與鐵焊接形成的脆性金屬間化合物也是不實用的。只有將鈦與鋼采用熱軋一體化工藝的「鈦鋼復合板」,將復合板的鋼部分焊接接合將鋼構筑物的主體上,再利用復合材鈦的防蝕性。其二鈦鋼復合板的尺寸問題。以前因不能制造出鈦鋼復合薄板,用該材作為襯里材時因板太厚使其尺寸與形狀受到限制。因此采用薄鋼板制造工藝時采用連續熱軋機,其厚度只有5mm的線圈狀鈦復合薄鋼板。該復合鋼板的接合強度約150-200MPa,略高于日本標準JIS-G3603所規定的值,適合作防蝕材料襯里材。
這種鈦鋼復合薄板的優點在于:(1)鈦在海水中基本上不腐蝕,鈦金屬離子也不會溶出;(2)鈦生物體沒有毒性,對周圍的生態環境沒有影響;(3)如果鈦能在超長期時間內不發生腐蝕,那么對環境而言將是一種極友好的材料 。
表1 在流動海水中的各種金屬離子的腐蝕速度
碳鋼 鋼 Zn Al Cu-Ni 合金 Ti
150 5 50 8 20 <1
在海洋構筑物的應用
目前在橫須賀建造了一個超大型浮式海洋構筑物,在海水飛沫沖刷處使用了鈦鋼復合材。新開發的鈦鋼復合板基本上與高級不銹鋼的制造成本相同。在東京灣橫跨道路的建設中就使用了鈦材做橋墩的防濺軀干,每個橋墩的鈦材用量為0.9t(表2)。
表2 日本鈦鋼復合板襯里防蝕的適用例
工程期限 項目名稱 數量 防蝕高度 防蝕面積 用量
91.1~93.10 東京灣橫跨道路橋墩 12腳 5.0m 2200m 80t
94.11~953 紋別冰海展望塔下部 1基 7.0m 200m 7t
95.8~96.7 大型浮式包覆實驗 3處 2.0m 30m 1t
98.11~99.2 夢舞浮式大橋橋墩 2腳 2.4m 1000m 36t
02.1~02.12 港口安全島沖連接橋 8腳 4.7m 800m 30t
合 計 4230m 154t
結束語
鈦鋼復合板自誕生以來已經歷了40多年,其主要的應用領域冷凝器管板已用了1000張以上。另一方面，在海洋土木也開始使用，并將有更多的機會。鈦鋼復合板就是有效地利用了鈦的優良的耐蝕性與鋼材的強度,在成本上達到了最佳期組合,今后期待在這方面有更進一步的發展。