《Journal of Materials Research and Technology》：Insights into interface bonding mechanism of Titanium-Steel composite shafts fabricated by cross wedge rolling
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钛与钢组成的复合材料价格合理且具有优良耐蚀性，但其工程化广泛应用受限于界面结合强度不足。为填补钛/钢复合轴制造技术空白，研究人员提出异质金属复合轴坯料装配方法，并采用交叉楔轧（CWR）技术成功制备高结合强度钛–钢复合轴。基于CWR工艺，研究人员系统考察了成形温
钛与钢组成的复合材料价格合理且具有优良耐蚀性，但其工程化广泛应用受限于界面结合强度不足。为填补钛/钢复合轴制造技术空白，研究人员提出异质金属复合轴坯料装配方法，并采用交叉楔轧（CWR）技术成功制备高结合强度钛–钢复合轴。基于CWR工艺，研究人员系统考察了成形温度对钛/钢复合轴界面微观组织与结合强度的影响。结果表明，850°C–1000°C轧制复合轴的剪切强度随温度升高先增后减，900°C时达最大值287 MPa。优异界面结合性能归因于三方面的机制：（1）紧密表面接触减少界面裹气并抑制脆性金属间化合物生成；（2）成形过程中界面循环应力加载与应变波动促进界面化合物层破碎；（3）Fe基体多层嵌入与弥散纳米TiC颗粒钉扎效应进一步提升界面抗剪强度。研究发现，CWR过程中精确温控可获得高界面结合强度的钛/钢复合轴。
研究背景方面，钛/钢双金属复合轴以外层耐蚀高强钛、内层低成本高塑钢实现性能互补，在航空航天、海工、化工领域具应用潜力。然而当前研究多集中于复合板，复合轴研究稀缺；钛易氧化、钛–钢直接焊易裂、CWR过程轴向力大导致焊端脱开，且高温下易生成脆性Fe–Ti金属间化合物（IMC，intermetallic compounds），加之CWR具圆–椭圆–圆循环变形与变形热升温特征，传统复合板工艺参数不适用，界面微观组织与剪切断裂关系尚未厘清，因此亟需专门研究。
该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。研究人员以TC21钛合金为外管、Q235碳钢为内芯，提出端塞+氩弧焊封端的异质轴坯装配路线，用U400水平交叉楔轧机在850°C–1000°C制备TC21/Q235复合轴，结合实验表征与有限元（FE）仿真揭示CWR固态界面结合机制。
关键技术方法上，研究人员以TC21钛合金外管与Q235碳钢内芯组成双层轴坯并氩弧焊封端，经电阻炉加热保温后交叉楔轧；采用Zeiss EVO18扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、聚焦离子束（FIB）制样及Talos F200S透射电镜（TEM）表征界面；以Simufact类软件建FE模型分析应力应变；按GB/T 6396-2008沿轴向取拉伸-剪切试样测界面剪切强度。
3.1 界面变形行为：经FE应力应变云图与界面追踪点分析，拉伸段外层等效应力高于内层，接触区三向压应力、非接触区小幅拉应力，界面等效应变梯度随变形增大，切向与径向应变波动可碎化IMC，证实CWR高三相压应力利于协调变形与结合。
3.2 变形规律与结合强度：实轧尺寸与FE误差小于10%；界面剪切强度随温度先升后降，900°C峰值287 MPa；850°C–900°C断口含剪切韧窝与Fe基体粘附，950°C–1000°C呈IMC主导脆断；XRD显示低温以Ti与TiC为主，高温生成FeTi、Fe2Ti。
3.3 不同温度界面微观组织：背散射（BSE）显示850°C–950°C呈波状机械互锁，900°C最明显；EDS线扫示Ti扩散距由1.6 μm增至2.4 μm；1000°C生成离散层状IMC、扩散距2.8 μm；EBSD示850°C–950°C近界面细晶再结晶，1000°C超α→β相变阈生成连续β-Ti（体心立方）；TEM示900°C界面约200 nm含β-Ti、层状Fe基体与纳米TiC钉扎，1000°C反应层约500 nm含FeTi、TiFe2。
3.4 界面结合机制：3.4.1 热变形下界面结合与焊接机制，界面以多轴压应力为主并承受循环拉压，径向压应力显著高于切向拉应力，可促进冶金结合与IMC破碎；3.4.2 界面结合微观演化机制，拉伸段为关键，临界位置界面在压应力下重焊，变形量20%–40%时TC21侧晶粒细化、40%时Q235侧脱碳与连续β-Ti层出现，温度驱动界面由TiC聚集向β-Ti+IMC厚层退化。
讨论部分总结，研究人员指出CWR区别于复合板轧制，其循环“圆–椭圆–圆”变形、变形热与三相压应力场使钛/钢轴界面获机械互锁、再结晶细晶、纳米TiC钉扎与IMC破碎等协同效应；温度过高致Fe–Ti金属间化合物（IMC）增厚与β-Ti连续化是强度下降根因，故850°C–900°C为优选窗口。
结论部分翻译：CWR制备TC21/Q235复合轴窗口为850°C–1000°C，900°C最优；界面反应产物随温升由TiC转为Fe2Ti与FeTi；CWR中紧密接触抑气、应变波动碎化IMC、Fe基体多层嵌入与纳米TiC钉扎共同提升剪切强度；精确温控可实现高界面结合强度钛/钢复合轴，为异质金属轴工业化提供理论和技术基础。
