鈦箔/鋼爆炸焊接的界面結(jié)合性能

畢志雄，李雪交,2，吳勇，熊蘇，汪泉，榮凱

(1.安徽理工大學(xué),淮南,232001；2.安徽雷鳴科化股份有限公司,淮北,235000；3.廣州工程設(shè)計研究所,廣州,510000)

0 序言

金屬鈦在空氣或溶液中可以迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護(hù)膜，具有良好的耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用到船舶工業(yè)、化工設(shè)備等領(lǐng)域[1-3].鈦/鋼復(fù)合板兼具鈦的耐腐蝕性和鋼的強(qiáng)韌性，應(yīng)用潛力極大[4-6].

爆炸焊接作為一種固-固相連接方法，可獲得較好的結(jié)合質(zhì)量，是金屬復(fù)合材料重要的焊接技術(shù).Ning 等人[7]通過爆炸焊接法制備了鋯/鈦/鋼3 層復(fù)合板，結(jié)果表明復(fù)合板中的金屬鋯和鈦耐腐蝕性能互補(bǔ)，在惡劣環(huán)境下的使用效果有所提升；但是鋯板和鈦板采用2 mm 厚度，造成其稀有金屬使用量較大.Saravanan 等人[8]研究質(zhì)量比對鈦/鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能影響，隨著質(zhì)量比的增加，界面由平直狀結(jié)合變?yōu)椴罱Y(jié)合.顯微硬度也相應(yīng)的增大，靠近界面的金屬顯微硬度最大.復(fù)合板在腐蝕環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能.Chu 等人[9]采用顯微結(jié)構(gòu)分析和納米壓痕試驗進(jìn)行鈦/鋼界面微觀形貌分析，研究發(fā)現(xiàn)界面存在Fe2Ti 和FeTi 等金屬間化合物.Zhao 等人[10]通過冷噴增材和熱軋復(fù)合制備鈦/鋼復(fù)合板，并對軋制狀態(tài)下的復(fù)合板進(jìn)行不同退火溫度的處理，研究表明退火可以促進(jìn)界面元素的相互擴(kuò)散，改善了鈦/鋼復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量.研究人員通過改變焊接參數(shù)和退火處理等改善鈦/鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能，取得良好的焊接質(zhì)量，但是采用的鈦層較厚.

為降低稀有金屬材料使用量，Yang 等人[11]通過改進(jìn)傳統(tǒng)爆炸焊接技術(shù)，在炸藥與復(fù)層鉭箔之間增加鋁板，利用鋁板保護(hù)鉭箔成功與鋼板爆炸焊接.Daisuke 等人[12]為獲得鋁薄板和鎂合金的爆炸復(fù)合材料，在薄板表面添加凝膠層作為傳壓介質(zhì)，實現(xiàn)了鋁/鎂合金的爆炸焊接.通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X 射線衍射和電子探針對結(jié)合界面進(jìn)行表征，研究使用凝膠層作為傳壓介質(zhì)對碰撞能量的降低效果.但是所用傳壓介質(zhì)存在不能重復(fù)使用，成本較高等問題.

鈦/鋼復(fù)合板主要通過爆炸焊接實現(xiàn)，爆炸載荷作用下鈦層厚度不宜過薄，通常在2 mm 以上[8-10].然而鈦涂層厚度達(dá)到0.4 μm 可以起到耐腐蝕效果[13].為減少鈦/鋼復(fù)合板稀有金屬鈦的使用量，以Q235 鋼和TA1 鈦箔分別作為基/復(fù)層，低爆速乳化炸藥作為焊接炸藥，食鹽作為炸藥與箔板之間的傳壓介質(zhì)，進(jìn)行鈦箔/鋼爆炸焊接研究.通過食鹽作為傳壓層實現(xiàn)200 μm 鈦箔與鋼的爆炸焊接.采用0.2 mm 厚度的鈦箔代替鈦板，解決復(fù)合板材料成本較高的問題.

1 試驗方法

TA1 鈦箔和Q235 結(jié)構(gòu)鋼分別作為復(fù)層和基層，尺寸為200 mm × 100 mm × (0.2+15) mm，其化學(xué)成分如表1 所示.

表1 TA1 鈦和Q235 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of TA1 titanium and Q235 steel

以乳化基質(zhì)(表2)為基體，空心玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑，制備微球含量20%的低爆速乳化炸藥，炸藥密度685 kg/m3，爆炸速度3 148 m/s.采用鋁蜂窩板作為炸藥藥框，將乳化炸藥填充蜂窩板孔隙制備厚12 mm 的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥.鋁蜂窩板具有較好的抗壓性，可以保證各處炸藥厚度均勻.復(fù)板表面放置一層厚5 mm 的食鹽作為傳壓層，食鹽晶體在高溫作用下發(fā)生氣化，保護(hù)鈦箔避免高溫灼傷與降低沖擊載荷破壞[14].

表2 乳化基質(zhì)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Components of emulsion matrix

將鈦箔和鋼板焊接面打磨拋光，依次裝配好后放置在爆炸罐體上.爆炸焊接裝置采用平行安裝結(jié)構(gòu)，如圖1 所示.采用LEICA DM4 M 型金相顯微鏡、FlexSEM 1000 型掃描電鏡對爆炸焊接后鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行微觀形貌觀察.沿平行于爆轟波方向切割鈦/鋼復(fù)合板試樣，經(jīng)過打磨、拋光后采用Keller 試劑（3 mL HF+6 mL HNO3+91 mL H2O）進(jìn)行腐蝕.為探究鈦/鋼復(fù)合板的力學(xué)性能，按照GB/T 6396—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和NB/T 47002—2009《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板》分別加工拉伸和彎曲試件進(jìn)行拉伸和三點彎曲試驗，表征鈦/鋼復(fù)合材料拉伸破壞時界面的結(jié)合強(qiáng)度和承受彎曲載荷時的塑性變形能力.彎曲和拉伸試驗時，試件厚度均為2 mm，其中鈦層200 μm，鋼層1.8 mm.

圖1 爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of explosive welding

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

為研究鈦/鋼復(fù)合板結(jié)合界面形貌，在金相顯微鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察.圖2 為TA1/Q235 復(fù)合板界面金相組織，界面呈波形.TA1/Q235 復(fù)合板主要以熔化層的方式結(jié)合，可以觀察到一層黑色的熔化層，靠近界面鋼側(cè)晶粒呈流線型.金屬熔化擴(kuò)散有利于復(fù)合板界面結(jié)合，然而過度的熔化會使界面惡化.爆炸焊接時，在極短的時間內(nèi)高速碰撞使得界面金屬熔化和鋼側(cè)晶粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，從而出現(xiàn)流變現(xiàn)象，鋼側(cè)晶粒呈現(xiàn)流線狀[15].高速碰撞時，界面空氣未被完全排出，在絕熱壓縮熱和塑性變形熱共同作用下使得界面金屬產(chǎn)生熔化，界面兩側(cè)金屬彼此擴(kuò)散，最終形成一層黑色的熔化層.渦旋內(nèi)存在Ti 的金屬顆粒，部分破碎顆粒在運(yùn)動過程中被卷入渦旋內(nèi)部，最后形成被基材包覆熔化塊[16].

圖2 TA1/Q235 界面金相組織Fig.2 Metallographic structure of TA1/ Q235 interface

為進(jìn)一步研究界面波后處熔化層及旋渦內(nèi)熔化塊組分，采用掃描電鏡和Quantax 70 型能譜儀對其進(jìn)行組分分析.TA1/Q235 復(fù)合板的微觀形貌和面掃描圖像如圖3 所示.

圖3 TA1/Q235 界面掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of TA1/Q235 interface.(a) SEM image of TA1/Q235;(b) point scanning position of TA1/Q235;(c) map scanning position of TA1/Q235;(d) area A

圖3a 為TA1/Q235 復(fù)合板結(jié)合界面形貌，界面波平均波長100 μm、振幅30 μm，未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂隙等缺陷，表明TA1/Q235 復(fù)合板界面具有良好的結(jié)合質(zhì)量.TA1/Q235 復(fù)合板鈦層平均厚度170 μm，低于其200 μm 的原始厚度.由于部分基/復(fù)板碰撞剩余能量作用于金屬材料，產(chǎn)生TA1/Q235 復(fù)合板厚度上的殘余變形[15].從圖3b 可以看出，TA1/Q235復(fù)合板結(jié)合面存在較深色熔化層和旋渦內(nèi)存在熔化塊.對圖3b 中1～ 6 點進(jìn)行點掃描分析熔化層組分，結(jié)果如表3 所示.由1～ 3 點的點掃描元素分析可知，熔化層主要為Ti 元素，存在少量的Fe 元素.鈦/鋼爆炸焊接時，在絕熱壓縮熱和塑性變形熱作用下產(chǎn)生高溫，使得界面金屬產(chǎn)生熔化[17].此時的Ti 與Fe 元素相互擴(kuò)散形成熔化層，界面未排出的O 元素與Ti，F(xiàn)e 元素可能生成金屬氧化物.熔化金屬在極短的時間內(nèi)冷卻，元素擴(kuò)散并不明顯.對旋渦內(nèi)熔化塊的4～ 6 點進(jìn)行點掃描，該處主要成分為Ti，F(xiàn)e 和O 元素，其中Fe 元素含量比波后處的熔化層要多.根據(jù)Ti 和Fe 原子比例，熔化塊內(nèi)主要為FeTi，F(xiàn)e2Ti 等金屬間化合物，可能存在少量的金屬鈦和鐵的氧化物[18].

表3 EDS 點掃描分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Results of EDS point scanning analysis

從圖3c 可以觀察到鋼側(cè)組織發(fā)生旋轉(zhuǎn)，包裹住中間的塊狀金屬顆粒形成旋渦，反映了波狀界面形成過程中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的特征[12].對旋渦處進(jìn)行放大(圖3d)，發(fā)現(xiàn)結(jié)合面波峰旋轉(zhuǎn)連接到鋼側(cè)，包裹熔化塊顆粒，與金相觀察結(jié)果一致.界面金屬在爆炸焊接碰撞過程中，界面材料處于高溫、高壓狀態(tài)，此時金屬呈準(zhǔn)流體行為.

2.2 力學(xué)性能檢測

兩組三點彎曲試樣的試驗條件如表4 所示.圖4 為彎曲后的試樣實物圖.由表4 和圖4 可知，試樣彎曲120°時，內(nèi)彎和外彎試件界面均未發(fā)現(xiàn)分離或局部裂紋現(xiàn)象，界面保持完好，表明鈦箔/鋼爆炸復(fù)合板具有良好的冷加工彎曲性能.

表4 彎曲試樣條件與結(jié)果Table 4 Bending experimental conditions and results

圖4 試件彎曲實物圖Fig.4 Physical drawing of specimens after bending

TA1/Q235 復(fù)合板內(nèi)部結(jié)合面可能存在微觀缺陷，在外部載荷作用下，這些缺陷可以作為裂紋源沿焊接方向發(fā)展.圖5 為TA1/Q235 復(fù)合板試件拉伸破壞后實物圖.TA1/Q235 復(fù)合板試樣拉伸破壞后結(jié)合面未發(fā)生分離，表面未觀察到裂紋，界面結(jié)合質(zhì)量良好.圖6 為TA1/Q235 復(fù)合板界面斷口掃描電鏡圖.從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，拉伸斷口呈明顯的塑性變形，鈦層和鋼層斷口表面均存在大小不一的韌窩，相較于鈦側(cè)韌窩，拉伸斷口鋼側(cè)韌窩尺寸小且淺.界面金屬材料高速碰撞后，結(jié)合面處產(chǎn)生高溫熔化和快速冷卻，該過程雖然一定程度上修復(fù)了材料的韌性，但無法消除材料本身可能存在的顯微孔洞.材料的顯微孔洞在塑性變形下經(jīng)過形核、長大和聚集，在相互連接后導(dǎo)致材料韌性斷裂.

圖5 拉伸后試件Fig.5 Specimens after stretching

圖6 TA1/Q235 界面斷口掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of TA1/Q235 interface fracture.(a)tensile fracture of TA1/Q235;(b) fracture of TA1 Ti side;(c) fracture of Q235 steel side

3 結(jié)論

(1) TA1/Q235 復(fù)合板的結(jié)合面呈規(guī)則的波形，界面波形平均波長100 μm、振幅30 μm，未觀測到孔洞、裂隙等缺陷，具有良好的焊接質(zhì)量.

(2) TA1/Q235 復(fù)合板界面主要以熔化層的方式結(jié)合，熔化層主要組分為Ti，包含少量的Fe 元素，界面波后渦旋內(nèi)含有熔化塊，根據(jù)原子比例可知其內(nèi)主要為FeTi，F(xiàn)e2Ti 等金屬間化合物.

(3) TA1/Q235 復(fù)合板的內(nèi)、外彎試件均未出現(xiàn)分層，復(fù)合板具有良好的冷加工彎曲性能；鈦層與鋼層拉伸斷口存在大小不一的韌窩，拉伸試件斷面主要為韌性斷裂.