超薄宽幅精密钛箔带材制备技术研究
超薄宽幅精密钛箔带材制备技术研究
超薄宽幅精密钛箔带材在氢能及燃料电池、化工、３Ｃ等领域应用前景广阔，但由于其尺寸精度高、厚度薄、带宽，制备较为困难。通过对超薄宽幅精密钛箔带材表面品质、组织性能及板形进行研究，获得了名义厚度为０．１ｍｍ，宽度为４２０ｍｍ 的超薄宽幅精密钛箔带材。对钛箔带材化学成分、微观组织、力学性能、成形性能进行分析，指明了精密钛箔带材的市场应用方向。
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁性、生物相容性好 等特点，是一种优良的结构和功能金属材料。随着化工、新能源、电子等工业迅速发展，精密钛箔带材及其制品用途广泛。常规钛带及薄板厚度一般 在０．３ｍｍ 以上，目前应用较为成熟。工业上一般把厚度为０．０１～０．３ｍｍ 的钛带称为精密钛箔带材。精密钛箔带材具备优异的化学性能、力学性能、尺寸精度及表面特性，其厚度甚至以微米计量，以满足使用要求，主要用于化工填 料、新能源、３Ｃ 电 子等领域。２０１８年 国内 钛带卷产量约１８０００ｔ，占全国钛加工材产量的３０％， 是国内主要钛产品之一，但厚度在０．３ｍｍ 以下的精密钛箔带材占钛带卷占比不足５％。
与不锈钢相比，钛材强度高、轧制回弹性大、加工硬化显著，且导热性差，容易发生断带、轧制抽裂及波浪等板形缺陷，以及由冶金缺陷引发的起皮、孔洞等品质问题，因此钛带卷材料制备难度 大。尤其对于厚度≤０．３ ｍｍ 的精密钛箔带材，其板形及内外部品质控制更为困难。目前，精密钛箔带材产品以日本新日铁进 口为主，国内生产的钛材整体品质与新日铁仍有一定差距， 尤其是宽度２００ｍｍ 以上高品质宽幅精密钛箔带材制备尚不成熟，与国际先进水平差距显著。主要体现在良品率、厚度精度、板形及品质稳定性等方面，需要通过装备、工艺及品质控制等方面改进，提升我国高品质精密钛箔带材的生产水平。本课题通过开展超薄宽幅精密钛箔带材表面品质、组织性能及板形技术研究，旨在为其应用提供参考。
实验材料及设备
精密钛箔带材轧制用板坯经过一次电子束冷床炉 （ＥＢ炉）熔 炼 及铣面、锯切加工，获得尺寸规格为 １９０ ｍｍ×１２８０ｍｍ×５８００ｍｍ 的 ＥＢ 扁锭，其化学成分见表１。试验设备包括炉卷轧机、１４５０四辊轧机、二十辊精密轧机、在线连续退火炉、拉弯矫直机等。
表１ ＥＢ锭的化学成分
实验方案
与不锈钢箔带材类似，精密钛箔带材生产工艺流程，使用炉卷轧机及１４５０四辊轧机将扁锭轧至 ０．３～０．５ ｍｍ 母 带；使用二十辊精密轧机将母带轧至 ０．１ｍｍ，钛带经脱脂去油后使用在线连续退火设备进行热处理，由于钛合金活泼，钛箔带材进行在线连续退火并采用氩气保护，热处理温度为７００～８００℃；热处理后经张力矫直、开平分切及检验工序，制备出成 品。钛合金热导率低、粘结倾向大，因此轧制速度较不锈钢低。
结果分析与讨论
３．１ 尺寸精度及板形
图2为精密钛箔带材及其缺陷形态。制备的精密钛箔带材规格为０．１ ｍｍ×４２０ ｍｍ，。精 密钛箔带材尺寸精度与板形，主要与轧制坯料一致稳定性、 轧机及轧制工艺、退火及矫直工艺有关。０．１ｍｍ 厚钛 箔带材由于质软、厚度薄，在轧制过程中极易出现断带及起筋缺陷，，因此在轧制 过程中应选择合理的压下量、张力、轧制速度及辊形等参数，以避免轧制断带、起筋，同时改善板形并提高厚度精度。箔带材产量较低，因此在轧机允许条件下，宜采用大张力、大压下量和高速轧制工艺方案，以提高产线产能，降低生产成本。采用 Ｘ 射 线 在线 厚度仪进行厚度检测，制 备 的０．１ｍｍ 钛箔带材厚度精度达 到±０．００３ ｍｍ。在板形控制方面，０．１ｍｍ 精密箔带材在轧制及连续退火后， 由于轧制波动及退火冷却不均影响，不可避免会产生波浪板形缺陷，不平度为５～８ｍｍ，经采用０．２％～０．５％ 变形率拉伸矫直后，板形得到显著改善，不平度≤１．５ｍｍ，且表面品质良好、板形优异，。
３．２ 组织与性能分析
国内０．３ｍｍ 以上大卷重钛带卷一般采用罩式非连续退火，由于退火保温时间长、冷却慢，退火温度普遍 为５５０～７００ ℃，但退火过程中钛卷各部位加热及冷却不均匀，导致成品卷组 织不均匀，内应力较大，恶化板形。因此，为获得高品质超薄宽幅精密钛箔带材，采用氩气保护在线连续退火方式进行。此外，由于氩气保护连续退火需要消耗大量氩气，同时０．１ｍｍ 钛箔带材极薄，因此生产效率较低，生产综合成本较高。为了获得理想均匀的再结晶退火组织，同时提高生产效率，采用高温快速退火工艺方案进行成品热处理，退火温度选择相变点以下８０～２００ ℃范围内，进行３个批次热处理， 热处理温度为７００、７５０、８００ ℃，退火时间为３０～６０ｓ，获得箔带材组织力学性能和。由表２可见， 精密箔带材横、纵向抗拉强度及伸长率接近，各向异性小，同时横、纵向伸长率达到３３％～３７％，远优于国标， 且杯凸值达到６．７ｍｍ以上，具有优异的塑性变形能力。
４．１ 化工填料
填料塔是化工生产及烟气处理中常用的一类传质设备，广泛应用 于 ＰＴＡ 装置等化工设备，主 要由圆柱形的塔体和堆放在塔内的填料（用于增加两相流体间的面积，增强两相间的传质）等组 成，用于吸收、蒸馏、萃取、反应等工艺过程。填料是填料塔的核心部件，。填料直接影响填料塔生产效率和品质，它是使用金属箔带材经过折弯、冲孔等工序，制备成表面具有沟纹、小孔的金属板波纹片，为气液两相接触的传热、传质提供了表面条件。填料要具有良好的力学性能、结构强度及耐腐蚀性，钛的优异特性，使其在替代不锈钢填料方面优势凸出，推广应用前景广阔。
４．２ 电子及生活用品
自２０世纪８０年代初起，Ｓｅｎｎｈｅｉｓｅｒ公司、Ｙａｍａｈａ 公司和 ＥＶ 公司等先后研究和开发出用纯钛箔制造扬声器震动膜后，使扬声器的低音和高音响应特性大幅提高，至今在高级音箱中一直得到广泛应用。动圈扬声器振动膜材料选择的原则是密度小、弹性系数高、内阻尼大，并且有足够的柔韧性，钛材均具备上述显著优势，一 般选用塑性较好的 ＴＡ１材料进行生产，厚度为０．０５～ ０．２ ｍｍ。此外，采用钛箔带材焊管用于制备吸管 产品，具有轻便、抑菌等特点。
４．３ 氢燃料电池
在氢燃料电池电堆中，金属双极板起到集流导电、 散热、均匀分散反应介质和冷却剂、支撑膜电极、防止反应介质内漏和外漏等多重功能，这就需要其选材具有一定的强度、成形性好、导电散热性好、成本低、耐腐蚀等优异特性。但双极板工作于多场耦合复杂恶劣环境，处于空气、氧气、氢气、电、酸（ｐＨ 值约为３）、６０～８０ ℃湿热工作介质中，包括发生电化学腐蚀、酸腐蚀，因此很大程度上，双极板决定了燃料电池整体性能、寿命及可靠性。与不锈钢相比，使用精密钛箔带材制备的金属双极板寿命、可靠性、减重效果更好，应用前景广阔。氢燃料电池电堆金属双极板用精密钛箔带材厚度一般为 ０．１～０．１５ ｍｍ，冲压微结构 流道深度及槽宽一般为 ０．２～２．０ ｍｍ，。冲压投影面积占板面总面积 ５０％左右，对精密钛箔带材尺寸精度、成形工艺提出了极高的要求。
（１）采用一次熔炼 ＥＢ扁锭制备了厚为０．１ｍｍ，宽 为４２０ ｍｍ 的超薄宽幅精密钛箔带材，厚度精度为 ±０．００３ｍｍ，不平度≤１．５ｍｍ，表面品质优异。
（２）通过采用氩气保护连续退火热处理方式，获得了组织细小均匀的再结晶等轴组织，箔带材伸长率≥ ３３％，优于国家标准，且各向异性较小、成形性能优异。
来源：
“宝鸡盛辉钛业有限公司，主营各种规格钛棒、钛加工件、钛异形件；我们钛棒的材料选用优良材质，符合标准，不偷工减料；我们钛棒的规格多样满足您的需求；我们钛棒的表面光滑、结构稳定、无凹凸、耐酸、耐碱、耐腐蚀、无裂纹。我们的目标是以优异的产品、可靠的质量、优越的终身效能费用比和有效的服务，满足顾客日益增长的需要，质量是我们的自尊心。我们的生产理念：质量至上、用户满意、精益求精、务实创新。”
４．２ 电子及生活用品
自２０世纪８０年代初起，Ｓｅｎｎｈｅｉｓｅｒ公司、Ｙａｍａｈａ 公司和 ＥＶ 公司等先后研究和开发出用纯钛箔制造扬声器震动膜后，使扬声器的低音和高音响应特性大幅提高，至今在高级音箱中一直得到广泛应用。动圈扬声器振动膜材料选择的原则是密度小、弹性系数高、内阻尼大，并且有足够的柔韧性，钛材均具备上述显著优势，一 般选用塑性较好的 ＴＡ１材料进行生产，厚度为０．０５～ ０．２ ｍｍ。此外，采用钛箔带材焊管用于制备吸管 产品，具有轻便、抑菌等特点。
４．３ 氢燃料电池
在氢燃料电池电堆中，金属双极板起到集流导电、 散热、均匀分散反应介质和冷却剂、支撑膜电极、防止反应介质内漏和外漏等多重功能，这就需要其选材具有一定的强度、成形性好、导电散热性好、成本低、耐腐蚀等优异特性。但双极板工作于多场耦合复杂恶劣环境，处于空气、氧气、氢气、电、酸（ｐＨ 值约为３）、６０～８０ ℃湿热工作介质中，包括发生电化学腐蚀、酸腐蚀，因此很大程度上，双极板决定了燃料电池整体性能、寿命及可靠性。与不锈钢相比，使用精密钛箔带材制备的金属双极板寿命、可靠性、减重效果更好，应用前景广阔。氢燃料电池电堆金属双极板用精密钛箔带材厚度一般为 ０．１～０．１５ ｍｍ，冲压微结构 流道深度及槽宽一般为 ０．２～２．０ ｍｍ，见 图 ９。冲压投影面积占板面总面积 ５０％左右，对精密钛箔带材尺寸精度、成形工艺提出了极高的要求。
