钛/不锈钢双金属复合材料的热变形特性、人工神经网络预测、三维加工图及界面微观结构研究学术报告

第一作者及单位
本研究由Zhenxiong Wei（第一作者）、Qiang Gao、Xixi Su等来自东北大学材料科学与工程学院（Key Laboratory of Lightweight Structural Materials, Liaoning Province）的研究团队，与攀钢集团研究院有限公司（Pangang Group Research Institute Co., Ltd.）合作完成，成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》2024年第29卷。通讯作者为Guoyin Zu（zugy@smm.neu.edu.cn）。

学术背景
钛/钢双金属复合材料结合了钛的耐腐蚀性与钢的高力学性能，广泛应用于石油管道、海洋工程及核工业领域。然而，传统制备方法（如扩散焊和爆炸焊）存在界面结合不均、环境污染等问题。热轧工艺因其高效、低能耗成为理想替代方案，但界面微观结构演变与变形协调机制尚不明确。本研究旨在通过热压缩实验、本构方程建模、人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）预测及三维加工图分析，揭示TA1/SUS430复合材料的热变形行为、界面产物形成规律及优化工艺窗口。

研究流程与方法
1. 材料制备与初始表征
- 研究对象：TA1（工业纯钛）与SUS430（铁素体不锈钢）组成的双金属复合材料，厚度比1:5，经真空退火（800°C/60分钟）处理。
- 初始微观结构分析：通过扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）确认界面存在α-Ti、β-Ti和TiC相（图2）。

1. 热压缩实验设计

   • 参数范围：温度750–1050°C，应变速率0.01–10 s⁻¹，采用Gleeble-3500热模拟机进行压缩测试，试样尺寸Φ8×9.7 mm。
     
   • 数据采集：记录应力-应变曲线，通过重复实验确保数据准确性（图3）。
     

2. 本构模型与ANN预测

   • Arrhenius模型：基于双曲正弦函数构建，计算平均激活能（Q=277.9671 kJ/mol），发现其预测精度受高应变率限制（图6）。
     
   • BP-ANN模型：输入参数为应变、温度、应变速率，输出为流变应力。采用Levenberg-Marquardt算法优化，隐藏层16神经元，相关系数R²=0.99947，平均绝对相对误差（AARE）<2.2%（图9-10）。
     

3. 加工图与微观结构分析

   • 三维加工图：基于动态材料模型（DMM）构建，功率耗散效率（η）峰值出现在875–950°C/0.01–0.03 s⁻¹（η=39%），不稳定区集中于高应变率区域（图13-15）。
     
   • 界面反应产物：低温（≤850°C）以TiC为主，高温（≥950°C）形成Fe₂Ti和FeTi相。β-Ti层厚度随温度升高而增加（图17-18）。
     
   • 变形机制：钛层以连续动态再结晶（CDRX）为主，钢层以动态回复（DRV）主导；低应变率下界面协调性更优（图19-21）。
     

主要结果
1. 流变行为：应力随温度升高而降低，随应变率增加而上升，动态软化机制主导高温高应变率下的应力下降（图3）。
2. 模型对比：BP-ANN预测精度显著高于Arrhenius模型（R²=0.99947 vs. 0.99092），尤其适用于非线性应力响应（图11）。
3. 工艺优化窗口：875–950°C/0.01–0.03 s⁻¹为最佳参数，η值高且无界面裂纹（图15c）。
4. 界面失效机制：高应变率（10 s⁻¹）导致微裂纹和分层，归因于钛/钢变形速率差异（图16d-f）。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了TA1/SUS430复合材料的热变形激活能范围（240–361 kJ/mol），明确了界面产物形成的热力学与动力学条件。
2. 应用价值：提出的工艺窗口（875–950°C/0.01–0.03 s⁻¹）可指导工业生产，避免脆性相导致的界面失效。
3. 方法论创新：结合三维加工图与ANN预测，为多金属复合材料工艺设计提供新范式。

研究亮点
1. 高精度预测：BP-ANN模型在流变应力预测中表现优异，优于传统本构方程。
2. 界面调控：阐明了碳扩散与Fe-Ti反应的竞争机制，为界面设计提供理论依据。
3. 跨尺度分析：从原子扩散（EPMA/WDS）到宏观变形（3D加工图）的多尺度关联研究。

其他发现
- 钢层织构演变：强立方织构{001}<110>随温度升高而减弱，应变率影响较小（图21）。
- 动态再结晶：钛层CDRX与钢层DRV的协同机制是低应变率下界面协调性的关键（图20）。

本研究为钛/钢复合材料的工业应用提供了理论支撑与工艺优化方案，相关方法可扩展至其他双金属体系。