一、研究的背景与问题
金属复合板因其优良的综合性能具有独特优势，大量应用于国家重点工程。项目开始之初，主要采用爆炸复合法生产，但因其存在的缺陷无法实现国家重点工程、大型装备关键材料的自主保障。复合板从传统爆炸复合，低效能工艺，走到应用钢铁大流程创新，实现高效简约工业化生产，是我国复合材料发展的一次革命。
轧制复合法是一种通过真空焊接组坯，经加热、轧制使基复材实现良好冶金结合的复合板制备方法，可实现高效简约工业化生产，是一种绿色、环保、可持续的生产工艺，可满足国家重大工程对高品质复合板日益严苛的性能需求。但在界面元素扩散、脆性相产物、基复材协同变形、组织性能协同调控等方面存在诸多难题。
1.复合板界面易产生脆性相等金属间化合物，导致界面性能差，亟需突破异种金属复合板界面产物调控技术，实现复合板界面的强冶金结合；
2.异种金属复合板基复材组织性能调控难度大，如何突破金属复合板基复材的协调变形及其组织性能的综合调控技术，实现多品种复合板组织性能的协同控制，成为复合板高质量、高效率、低成本发展的瓶颈；
3.不同品种金属复合板基复材的变形抗力差异较大，尤其是难变形合金复合板协同变形困难，如何协调不同类型复合板基复材之间的变形，提高制坯效率是获得高质量金属复合板需要攻克的技术难点之一；
4.相关工程建造领域缺乏轧制复合板产品的成型技术、应用标准与规范，对高品质轧制复合板的批量生产和推广应用带来了极大的阻碍。
二、解决问题的思路与技术方案
鉴于此，东北大学联合南钢、湘钢、鞍钢等企业，在国家863、十三五、十四五等重点项目持续资助下，在界面元素扩散、脆性相产物、基复材协同变形、组织性能协同调控等方面开展了系统研究。经二十余年的自主创新，揭示了复合板界面物理冶金原理，开发出界面及基复材组织性能协同调控等关键技术，解决了钢-钢、钢-镍、钢-钛等材料复合的系列技术难题，实现了50余种复合板的大工业流程生产和应用。
三、主要创新性成果
1、高真空-高温-强变形多场耦合下的复合界面愈合机制。
（1）提出了复合界面元素扩散的调控机制。通过优化加热温度、压下率等轧制窗口有效控制了界面扩散和结合性能，通过调整轧后冷却方式减少了析出相，实现了界面元素精准扩散与析出相控制，显著提升复合板剪切强度。如图1，316L/Q345不锈钢复合板在1200oC-60%总压下率工艺下，界面结合强度≥433MPa，远超传统热轧复合和国标要求。
图1 界面微观组织和元素扩散行为和剪切性能
（2）揭示了不锈钢复合板结合机理。不锈钢复合板界面无明显产物，通过动态再结晶形成新的晶粒，GND密度低，利于基复材协调变形。界面两侧原子排列呈K-S和N-W取向关系的半共格界面，如图2，促进界面冶金结合。
图2 不锈钢复合界面的高分辨透射表征
（3）揭示了节镍奥氏体不锈钢复合板界面复合机理及氢脆抗性，半共格界面及稳定的奥氏体状态使复合板具有优异的氢脆抗性，复合板长时间充氢后延伸率损失低于15%，强度高于1.1Gpa，优于现有应用的其他储氢用金属材料，性能对比如图3。
图3 储氢用不锈钢复合板与其它金属材料的性能对比
（4）首次揭示钛/钢复合界面产物全流程演化机制。传统爆炸工艺认为界面形成Ti-Fe金属间化合物利于复合。我们研究发现连续TiC薄层抑制Ti-Fe化合物生成，TiC颗粒形态和分布可控，其钉扎效应提高了界面结合强度，如图4，颠覆了传统爆炸复合理论；复合板无中间层，界面剪切强度＞300 MPa。精准控制C元素扩散和TiC形成是实现钛/钢复合板高强度结合的关键。
图4 钛/钢复合界面产物
2、基复材协调变形下的多品种复合板高温控轧及热处理全流程生产技术。
（1）开发了“高温控轧+TMCP+在线固溶”组织性能一体化调控技术，通过高温控轧实现界面结合性能，高温控轧+TMCP提升基材力学性能，TMCP+在线固溶确保复材耐蚀性能，通过对控轧控冷综合调控，形成了桥梁用、管线用、化学品船用复合板等50余种产品的生产工艺规范，典型产品性能如图5。
图5 典型桥梁用、管线用、化学品船用复合板性能指标
（2）开发了非对称组坯、对称组坯+复板边条等差异化组坯封装技术，如图6。针对基复材变形抗力差异显著的镍基合金复合板，通过边条强约束增加难变形复板变形驱动力，实现协调变形。
图6 组坯封装工艺路线图
（3）开发了大小道次压下率相结合的轧制规程再分配工艺。粗轧阶段高温大压下实现界面结合，精轧阶段低温小压下细化晶粒、提升性能。生产现场照片如图7所示。
图7 复合板生产现场及工艺参数
（4）开发了复合板残余应力全流程调控技术。通过数值模拟与实验相结合，调整优化轧制规程、热处理及矫直工艺，有效降低复合板残余应力。
（5）基于界面真空度和焊接效率优化复合板封装工艺，通过多路径封焊平衡生产需求。其中，通过真空电子束焊封装获得高性能产品，通过埋弧焊封装实现低成本生产。两者相结合，显著提升生产效率。
3、针对不同应用领域特性要求的高品质复合板成形技术。
（1）开发了轧制复合板封头冲压、大板幅折弯等成形技术，确保基复层协同变形，解决了过度挤压、层间结合性能下降等问题，如图8、图9。
图8 封头成型工艺
图9 大板幅不锈钢复合板的应用
（2）开发出焊接界面元素扩散控制技术、高合金复层焊缝组织调控技术、薄规格复合板高效焊接技术和焊接裂纹敏感性评价技术，解决了焊道厚度把控困难、晶粒粗大、碳氮化合物析出导致耐蚀性下降等问题。
焊接界面元素扩散控制技术应用于500MPa级高强度S31603/Q500qE桥梁用不锈钢复合板的焊接，如图10。
图10 桥梁用复合板焊缝组织
高合金复层焊缝组织调控技术解决了镍基合金管线复合板/管复层晶间腐蚀及点腐蚀不易达标等问题，实现S31603/L415M管线用复合板的焊接，如图11。
图11 管线钢复合板的焊接
采用薄规格复合板高效焊接技术，在国际上首次实现了化学品船用薄规格（2+6mm）双相不锈钢复合板的高效焊接，如图12。
图12 双相不锈钢复合板焊接与应用
可调刚性拘束复合板焊接裂纹敏感性评价技术实现了S30403/Q345R容器用复合板的高效焊接，应用于巴斯夫湛江一体化基地项目的聚合物反应釜，如图13、图14。
图13 可调刚性拘束复合板焊接裂纹敏感性评价
图14 压力容器复合板的焊接
四、应用情况与效益
东北大学于2005年国内最先开始真空轧制复合技术的研究和开发，2008年将该技术应用于济钢生产特厚钢板，2009年开始将该技术拓展到金属复合板的研发。
2016年在国内率先实现轧制复合板在梅汕铁路大桥的使用，并陆续开发了Q370qE、Q420qE、Q500qE等系列桥梁不锈钢复合板。2017年后陆续应用于五峰山长江大桥、鳊鱼洲长江大桥、潍莱铁路大桥、常泰长江大桥等国内重大工程，合计供货超10万吨。其中，为世界最大跨度公铁两用斜拉桥-常泰长江大桥供货6700吨复合板，是国际上首次应用500MPa级高强度S31603/Q500qE桥梁不锈钢复合板；另外，项目组为世界上最大跨度通水通航渡槽-引江济淮渡槽供货3754吨S31603/Q345qD复合板，该项目获2023年国际桥梁大会“亚瑟×海顿奖”（桥梁界的诺贝尔奖），如图15。
图15 桥梁用不锈钢复合板的应用
船用不锈钢复合板在国内船舶行业实现0到1的首次应用突破，供货荷兰Van Oord风电安装船、上海鼎衡6400DWT化学品船、菲律宾Marinelink Tankers 化学品船等，累计供货超2000吨，如图16。项目组供应复合板建造的“鼎衡30”成为国际首艘应用双相不锈钢复合板建造的化学品船。
图16 船用不锈钢复合板的应用
管线用复合板成功供货顺北油田塔里木河穿越工程、迪那2气田开发工程等石油输送管道项目，如图17；高附加值的镍基合金管线钢复合板N08825/X65QS也实现了批量供货，由浙江久立、苏州罗克莱等企业实现了石油输送管道的良好应用。
图17 管线用不锈钢复合板的应用
容器用复合板成功供货森松重工、张家港富瑞特种装备、兰石重装等知名容器制造厂。所供的S30403/Q345R容器用不锈钢复合板制作的聚合物反应釜成功应用于“一带一路”巴斯夫湛江一体化基地项目。镍基合金容器钢复合板N06625/SA516Gr60N实现批量供货，成功供货兰石重装石化工程储罐容器。钛/钢复合板应用于反应塔出口烟道和火电厂烟囱等环保工程，性能优良，如图18。
图18 容器用不锈钢复合板的应用
项目组牵头或参与制定标准6项（国家标准3项、行业标准1项、团体标准2项），使VRC技术在不同产品领域的应用变为可能。项目自2005年开始以来，采用该技术生产轧制复合板21.15万吨，累计产值21.52亿元，累计利税6.14亿元；近三年产量12.28万吨，近三年累计实现新增产值12.76亿元，新增利税3.71亿元。
项目组攻坚克难积累多项研究成果，授权发明专利26项、发表论文38篇、出版专著4部，认定企业专有技术21项。《世界金属导报》多次报道，并给予高度评价“东北大学团队率先开展真空轧制复合技术研究，构建我国低成本容器钢复合板设计制造技术理论体系”，并指出“该技术必将成为我国未来复合板制备的主流生产技术。”
复合板从传统爆炸复合，低效能，走到钢铁大流程创新，实现高效简约化生产，是我国金属复合材料发展的一次革命。
信息来源：东北大学数字钢铁全国重点实验室
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