軋制法制備鈦鋁復(fù)合板的研究進(jìn)展

龐立娟，李會(huì)容，鄧剛，張雪峰

（攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院,四川 攀枝花 617000）

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨等多種優(yōu)良特性，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，但高昂的成本限制了其廣泛應(yīng)用[1-3]。鋁合金質(zhì)量輕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕，且價(jià)格低廉，在航天航空、汽車制造、電子器材及民用炊具等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-5]。而鈦和鋁組成的鈦鋁復(fù)合板兼具鈦合金和鋁合金的優(yōu)點(diǎn)，如比強(qiáng)度高、耐磨性好、優(yōu)良的耐蝕性、導(dǎo)熱性、比重輕等，同時(shí)鈦鋁復(fù)合板的成本遠(yuǎn)低于鈦合金[6-8]。目前，鈦鋁復(fù)合板已在航天航空、炊具廚具、冶金機(jī)械、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，并且前景廣泛。

鈦鋁復(fù)合板的制備方法從原理上可以分為固態(tài)-固態(tài)復(fù)合法和固態(tài)-液體復(fù)合法兩大類。主要包括以下幾種：爆炸復(fù)合法[9-13]、軋制復(fù)合法[14-15]、固液鑄軋法[16]、超聲固結(jié)法[17]和熱壓法[18]等。其中，爆炸復(fù)合法是利用炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)復(fù)板與基板傾斜碰撞產(chǎn)生金屬射流清除金屬表面氧化膜，同時(shí)在巨大的壓力下兩金屬原子實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。該方法制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，用于制備復(fù)層和基層較厚的復(fù)合板，是生產(chǎn)中厚復(fù)合板的重要方法，但生產(chǎn)效率低，且不適用于制備鈦層和鋁層較薄的復(fù)合板。固液鑄軋法是目前制備鈦/鋁復(fù)合板的新技術(shù)，液態(tài)金屬在轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥上迅速冷卻的同時(shí)，在軋制力的作用下進(jìn)行塑性變形，從而得到結(jié)合強(qiáng)度高的復(fù)合板[16,19-22]。但是該方法也具有一定的局限性，比如要嚴(yán)格控制軋制速度和澆鑄溫度等。超聲固結(jié)法[17,23]是在超聲焊接技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的低成本、綠色制備復(fù)合板的方法，該方法將基材逐層堆砌后，利用超聲高頻振動(dòng)和靜壓力實(shí)現(xiàn)金屬板材之間的固態(tài)結(jié)合，目前利用該技術(shù)歐美國(guó)家可以生產(chǎn)鋁/鋼復(fù)合板、鎂/鋁復(fù)合板等多種復(fù)合板材，但生產(chǎn)效率低，也不適宜于生產(chǎn)大面積復(fù)合板。熱壓法也是制備鈦/鋁復(fù)合板的常見(jiàn)方法[24]，將鈦箔和鋁箔在模具中交替疊加，隨后放入真空熱壓爐中，在一定溫度下保溫一定時(shí)間，通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散最終形成結(jié)合致密的鈦鋁復(fù)合板,但該方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)，同樣只能生產(chǎn)尺寸小的復(fù)合板，也不適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的需求。軋制復(fù)合法是目前應(yīng)用最廣泛的鈦/鋁復(fù)合板的生產(chǎn)方法，該方法是將金屬表面打磨清理后利用軋制使金屬發(fā)生塑性變形，同時(shí)表面氧化膜破裂、露出新鮮金屬，在軋機(jī)壓力下實(shí)現(xiàn)復(fù)合。該方法可以采用片式復(fù)合，也可以采用多層帶卷復(fù)合，帶卷單重1～3 t，長(zhǎng)度上千米，因此具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、易于批量生產(chǎn)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以生產(chǎn)各種規(guī)格、多種類型的金屬?gòu)?fù)合板[6,25]。

學(xué)者們通過(guò)多年的研究，總結(jié)了金屬?gòu)?fù)合板復(fù)合的一系列理論，但這些理論并不總適用于鈦鋁復(fù)合板，而機(jī)理研究從根本上指導(dǎo)了后續(xù)制備過(guò)程，尤為重要。但是在目前的研究論文中，專門針對(duì)鈦鋁復(fù)合板結(jié)合機(jī)理的并沒(méi)有指出。

鈦鋁復(fù)合板制備的關(guān)鍵就是要保證鈦和鋁之間形成牢固結(jié)合，因此結(jié)合強(qiáng)度就成為了鈦鋁復(fù)合板性能評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)。在制備鈦鋁復(fù)合板時(shí)要特別關(guān)注影響鈦板、鋁板結(jié)合的重要因素，如變形率、溫度等。同時(shí)，目前針對(duì)于鈦鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試主要有剪切強(qiáng)度、彎曲性能等，但這些都是針對(duì)于中厚板采用的測(cè)試方法，對(duì)于薄板特別是超薄板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法基本未見(jiàn)報(bào)道，是該材料評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)的一大難點(diǎn)。

筆者將從軋制法制備鈦鋁復(fù)合板的機(jī)理、影響因素及結(jié)合強(qiáng)度的常見(jiàn)測(cè)試方法等多個(gè)方面對(duì)該類型復(fù)合板的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。

1 軋制法制備鈦鋁復(fù)合板的機(jī)理

金屬?gòu)?fù)合板通過(guò)軋制進(jìn)行復(fù)合的理論和假說(shuō)，目前主要有機(jī)械嚙合理論[25]、金屬鍵理論[26]、能量理論[27]、薄膜理論（表面膜破裂理論）[28]、裂口結(jié)合理論（硬化層破裂機(jī)制）[14]、再結(jié)晶理論[29]、熱擴(kuò)散理論[30]、N.Bay 理論[31]等。不同的金屬?gòu)?fù)合板所涉及的結(jié)合機(jī)理也會(huì)有差異。鈦鋁復(fù)合板制備過(guò)程中所涉及的理論主要有以下幾種。

1.1 裂口結(jié)合理論（硬化層破裂機(jī)制）

N.Bay 等[29,32]認(rèn)為金屬表面進(jìn)行鋼絲輪清刷會(huì)形成硬化層，在軋制過(guò)程中兩種金屬的表面硬化層都會(huì)產(chǎn)生裂口露出新鮮金屬，新鮮金屬分別從裂口中擠出，接觸達(dá)到原子距離實(shí)現(xiàn)金屬間的結(jié)合[33-34]。

顏學(xué)柏等人[14]發(fā)現(xiàn)，鈦板和鋁板表面清刷后會(huì)形成許多舌狀凸起的硬化塊，比例大約占整體表面的40%左右。這些硬化塊塑性變形的能力較差，因此在軋制過(guò)程中會(huì)在垂直于變形的方向破碎成小塊狀，變形率越大，硬化塊裂口也越大。鈦板與鋁板軋制復(fù)合時(shí)，鈦板表面的硬化塊破裂后露出新鮮鈦金屬，但由于裂口不大和鈦金屬?gòu)?qiáng)度較高，新鮮鈦金屬難以擠出。當(dāng)鈦的變形率達(dá)到20%左右時(shí)，鈦硬化塊裂口較大，對(duì)面的鋁在壓力的作用下較容易擠入鈦硬化塊裂口與鈦形成結(jié)合點(diǎn)。這種結(jié)合點(diǎn)數(shù)量的多少取決于鈦的變形率，變形率越大，則結(jié)合點(diǎn)數(shù)量越多。鋁表面硬化塊破裂機(jī)制在鈦與鋁的軋制復(fù)合中沒(méi)有顯現(xiàn)。鈦與鋁軋制結(jié)合，除鈦硬化塊破裂機(jī)制外，還存在表面膜破裂機(jī)制和熱作用機(jī)制。

1.2 薄膜理論（表面膜破裂理論）

該理論是針對(duì)于表面沒(méi)有舌狀硬化塊區(qū)域的結(jié)合機(jī)制。該理論研究認(rèn)為鈦板及鋁板放置在空氣中時(shí)它們會(huì)將空氣中的水蒸氣吸附于金屬板表面，形成表面吸附膜，該膜是阻礙鈦金屬與鋁金屬緊密結(jié)合的主要原因[31-32]。在制備鈦/鋁復(fù)合板時(shí)，該類機(jī)制只有在鈦的變形量大于30%以上才會(huì)起作用，并且鈦的變形量越大，該機(jī)制作用越明顯。

1.3 N Bay 理論

該理論不只針對(duì)于鈦/鋁的復(fù)合，也針對(duì)于其他各類金屬的復(fù)合，具有普遍適用性。其內(nèi)容主要包括以下過(guò)程：在外界壓力下，金屬板各自表面的氧化膜和硬化塊破碎導(dǎo)致新鮮表面露出，隨后基材在法向壓力的作用下擠入新鮮表面，接觸面達(dá)到原子距離實(shí)現(xiàn)金屬間的結(jié)合[32-33]。

1.4 三階段理論

該理論是一種金屬?gòu)?fù)合的理論基礎(chǔ)。三階段分別指的是板間物理接觸階段、物理化學(xué)作用階段及化學(xué)作用階段，即所謂的“體”作用階段。其接觸作用過(guò)程經(jīng)歷弱化學(xué)鍵-化學(xué)鍵-擴(kuò)散作用形成晶粒逐漸增強(qiáng)三個(gè)階段。其中，最后一個(gè)階段是決定金屬層板之間結(jié)合強(qiáng)度大小的最重要階段[34]。

鈦鋁復(fù)合板軋制復(fù)合的理論很多，但各種理論都具有共同點(diǎn)，即首先經(jīng)歷鈦板和鋁板表面氧化膜破碎階段，隨后在軋制力作用下原子間間距減小形成化學(xué)鍵，隨著壓力增大或軋后熱處理過(guò)程，鈦鋁之間通過(guò)擴(kuò)散形成大量的Ti-Al 間化合物，從而實(shí)現(xiàn)鈦板和鋁板之間的牢固界面結(jié)合。

2 影響鈦鋁復(fù)合板界面結(jié)合性能的因素

鈦鋁復(fù)合板界面結(jié)合性能的好壞跟界面間的狀態(tài)密切相關(guān)，如界面間化合物的多少、界面的平直度等。鈦板和鋁板中所含的主要合金元素分別為鈦和鋁。鈦鋁復(fù)合板界面化合物的形成包括如前所述的過(guò)程：原子之間形成弱化學(xué)鍵-化學(xué)鍵-界面化合物相結(jié)晶長(zhǎng)大。在第三個(gè)階段涉及到鈦原子、鋁原子在界面處的相互擴(kuò)散。鈦/鋁復(fù)合板中可能產(chǎn)生的金屬間化合物有TiAl、TiAl2、TiAl3、Ti3Al[35]。由于鈦鋁復(fù)合板的處理溫度低于550 ℃，界面層中間相基本為TiAl3相；高于該溫度，界面層中才會(huì)出現(xiàn)其他相。鈦鋁復(fù)合板擴(kuò)散層的存在對(duì)于復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度有著重要影響。界面擴(kuò)散層過(guò)厚或過(guò)薄，中間層脆性相過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)惡化結(jié)合強(qiáng)度。因此將界面擴(kuò)散層厚度控制在10 μm 以內(nèi)為佳[36]。

2.1 軋制變形率的影響

金屬?gòu)?fù)合板在軋制過(guò)程中金屬均會(huì)發(fā)生塑性變形，要實(shí)現(xiàn)金屬層與層的強(qiáng)結(jié)合，變形率必須超過(guò)一定的閾值Rt。金屬種類不同，其Rt值也會(huì)不同；當(dāng)變形量大于Rt后，界面結(jié)合力隨變形量增加快速增長(zhǎng)，隨后趨于平緩。對(duì)于冷軋制備復(fù)合板來(lái)說(shuō)，其變形閾值一般在30%以上[37]。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鈦/鋁復(fù)合板總變形率對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖1 所示[14]。室溫下鈦/鋁軋制復(fù)合變形閾值一般在42%左右；200～500 ℃加熱情況下減小到29%～37%。變形率越大，結(jié)合強(qiáng)度越高。變形率大于50%后，復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度增速較高。通過(guò)顯微組織分析后可以發(fā)現(xiàn)，一方面當(dāng)復(fù)合板變形率大于Rt值后，鈦界面上的硬化塊發(fā)生破裂，提供了鈦鋁結(jié)合點(diǎn)；另一方面當(dāng)鈦的變形率大于30%～35%后，鈦層表面的氧化膜發(fā)生破裂，漏出新鮮的鈦金屬，從而提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1 總變形率對(duì)TA1/LY12 軋后結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of total rolling reduction on bonding strength of TA1/LY12 clads after rolling

在單純冷軋條件下要實(shí)現(xiàn)鈦/鋁復(fù)合材料大變形具有一定的難度，因此發(fā)展出了波紋輥冷軋、不對(duì)稱累積疊軋法（AARB）、異步軋制法等軋制方法。波紋輥冷軋技術(shù)對(duì)比于傳統(tǒng)的平輥軋制，在相同工藝條件下可獲得結(jié)合效果更好的鈦鋁復(fù)合板。劉暢等[38]采用波紋輥軋制法（CFR）即一道次“波紋輥+平輥”+二道次平輥軋制得到了TA1/AA1060 復(fù)合板。研究結(jié)果表明在36%的較小壓下率下，平軋僅實(shí)現(xiàn)局部結(jié)合，界面處裂紋多，鈦板因變形差導(dǎo)致復(fù)合板整體翹曲嚴(yán)重，而波紋軋工藝的復(fù)合板整體結(jié)合好，平整度好，沒(méi)有發(fā)生翹曲現(xiàn)象。CFR 工藝總壓下率為55%時(shí)，復(fù)合板界面結(jié)合致密，沒(méi)有氣孔和裂紋，界面層厚度為2.5 μm，界面為機(jī)械結(jié)合，沒(méi)有Ti-Al 化合物生成。波紋輥軋制時(shí)界面的生成與薄膜理論緊密相關(guān)，波紋界面加劇了復(fù)合金屬界面的摩擦力[38]，波谷處的較大應(yīng)變更有利于硬化層的破裂，有利于新鮮金屬在更多的點(diǎn)位露頭；同時(shí)CFR 軋制可以協(xié)調(diào)鋁板和鈦板的變形[33,38]。這些因素都使得CFR 軋制比傳統(tǒng)的平軋更具有先進(jìn)性。

累積疊軋法早在1998 年就由日本學(xué)者提出，即將一道次軋制后的復(fù)合板從中切開再進(jìn)行堆疊軋制，反復(fù)循環(huán)直至獲得達(dá)到要求的復(fù)合板，如圖2 所示[39]。相比于傳統(tǒng)平軋法，該制備方法涉及強(qiáng)塑性變形過(guò)程，利用產(chǎn)生的大量位錯(cuò)形成位錯(cuò)胞及亞晶粒等，通過(guò)細(xì)化晶粒達(dá)到提高金屬?gòu)?fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的目的[39]。董曉萌等[34]利用累積疊軋法制備了Ti/Al 7 層復(fù)合板，研究結(jié)果表明疊軋法壓下量對(duì)板材界面具有顯著影響。壓下量為50%時(shí)，Ti 層和Al 層之間沒(méi)有完全結(jié)合；當(dāng)壓下量達(dá)到60%時(shí)，復(fù)合板結(jié)合質(zhì)量良好。其機(jī)理在于軋制中Ti、Al 界面處發(fā)生起伏，出現(xiàn)“鑲嵌”現(xiàn)象，大的軋制力破壞了表面硬化層，使得Al 被壓入Ti 層中，出現(xiàn)界面結(jié)合行為。但是，累積疊軋法軋制后的鋁復(fù)合板中非常容易出現(xiàn)織構(gòu)缺陷[40]。

圖2 累積疊軋法示意Fig.2 Schematic diagram of accumulative rolling process

異步軋制法可以獲得具有更均勻組織的復(fù)合板[41]。但是使用異步軋制法制備鈦/鋁復(fù)合板的研究少見(jiàn)報(bào)道。

2.2 軋后熱處理的影響

鈦鋁復(fù)合板軋后通常都要再經(jīng)過(guò)熱處理工序，以獲得復(fù)合板板間更高的結(jié)合強(qiáng)度[42]。熱處理過(guò)程中選取的加熱溫度對(duì)復(fù)合板間的結(jié)合強(qiáng)度有重要影響。

顏學(xué)柏等人[43]研究了300～500 ℃、保溫2～600 min 的熱處理?xiàng)l件對(duì)TA1/LY12 復(fù)合板性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明軋后熱處理工藝可以大大提升復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，如圖3 所示。300 ℃處理時(shí)，其結(jié)合強(qiáng)度值都不理想。熱處理溫度升高，其結(jié)合強(qiáng)度也增大，最高值基本相同；該復(fù)合板保溫400 ℃下的最佳時(shí)間為15～240 min，500 ℃下保溫2 min 即可獲得理想的結(jié)合強(qiáng)度。隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)合強(qiáng)度下降的主要原因是界面處金屬間化合物層增厚大于1 μm，這一點(diǎn)與他人的發(fā)現(xiàn)存在一定差異[38]。軋后熱處理的過(guò)程被歸結(jié)為三個(gè)階段：板間全面結(jié)合階段；金屬間化合物的孕育期；金屬間化合物形核及長(zhǎng)大期，與三階段理論[36]相符。但是作者并未對(duì)界面層形成的物質(zhì)進(jìn)行深入分析。

圖3 加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)TA1/LY12 結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of holding time and temperature on bonding strength of TA1/LY12 clads after rolling

熱處理過(guò)程中，鈦板和鋁板之間會(huì)發(fā)生鈦、鋁原子的快速擴(kuò)散并形成界面TiAl3相；隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)或保溫溫度升高，界面相會(huì)不斷沿著深度和界面擴(kuò)展，使得界面層厚度逐漸加大，很可能會(huì)繼續(xù)生成TiAl、TiAl2等金屬間化合物相[44]。Kattener[45]等人對(duì)Ti-Al 系可能生成的金屬間化合物所需的能量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明自由能大小為：TiAl2＜TiAl3＜ TiAl＜ Ti3Al＜ Ti2Al5。但是由于TiAl2生成的前提條件是需要TiAl，因此，對(duì)于鈦/鋁系而言，在熱處理過(guò)程中首先生成的金屬間化合物為TiAl3。祖國(guó)胤等[35]指出在鋁熔點(diǎn)以下溫度熱處理時(shí)，鈦/鋁界面層處生成的金屬間化合物相只有一種即TiAl3。熱處理?xiàng)l件不同除了會(huì)影響界面結(jié)合相的種類，也會(huì)影響界面層的厚度，因此對(duì)于軋后的鈦/鋁復(fù)合板熱處理溫度和時(shí)間的選擇顯得非常重要。

韓銀娜等[46]對(duì)鈦鋁復(fù)合板600 ℃進(jìn)行了退火熱處理，研究了不同保溫時(shí)間對(duì)鈦鋁復(fù)合板組織和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在退火過(guò)程中生成的TiAl3相主要受元素?cái)U(kuò)散控制，滿足拋物線生長(zhǎng)理論。600 ℃熱處理?xiàng)l件下保溫2 h，界面層厚度2 μm 時(shí)剝離強(qiáng)度達(dá)到最大為86.8 N/mm，大于2 μm 后隨著厚度增大，剝離強(qiáng)度下降嚴(yán)重，這是因?yàn)殡S著TiAl3相生長(zhǎng)，其疏松度增大，弱化鈦、鋁界面層的連接[47]。可以看出，600 ℃熱處理后鈦/鋁復(fù)合板的剝離強(qiáng)度低于500 ℃熱處理的鈦鋁復(fù)合板。宋卓等[48]研究了不同退火溫度及時(shí)間對(duì)鈦鋁復(fù)合板組織及性能的影響。研究結(jié)果表明退火后，界面兩側(cè)區(qū)域鈦、鋁元素?cái)U(kuò)散明顯，界面層厚度先快速增加，隨后趨于穩(wěn)定，退火溫度為490 ℃、保溫時(shí)間3 h 條件下界面層厚度達(dá)到2 μm 左右。隨溫度繼續(xù)升高，界面層厚度不變，這一點(diǎn)與上述他人工作存在差異。

2.3 層厚的影響

層界面數(shù)對(duì)金屬?gòu)?fù)合板變形及斷裂機(jī)制有重要影響，但目前該因素對(duì)復(fù)合板界面形成的影響研究較少。

Fan 等人[49]使用不同厚度的鈦板和鋁板制備出了一系列鈦鋁復(fù)合板（0.4 mm Al/0.4 mm Ti、0.2 mm Al/0.25 mm Ti、0.1 mm Al/0.15 mm Ti），其界面形貌及元素分布如圖4 所示。由圖4 可知，隨著鋁板厚度從0.4 mm 降低到0.1 mm，鈦鋁復(fù)合板界面從平直化變得起伏。在軋制過(guò)程中，隨著板厚下降，復(fù)合板各處變形嚴(yán)重不均勻，主要沿著板對(duì)角線進(jìn)行，從而使板間接觸面積增大。在相同制備條件下界面層的厚度逐漸增大，分別是4.1 μm、4.4 μm、5.2 μm，界面元素?cái)U(kuò)散機(jī)制主要是缺陷擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散，其中0.1 mm Al/0.15 mm Ti 界面結(jié)合性能最佳。

圖4 不同層厚及不同層數(shù)鈦鋁復(fù)合板界面的微觀形貌及元素分布[49]Fig.4 The morphology,interface and element distribution for Ti-Al laminate composite[49]

曹苗等[18]分別研究了3 層、5 層和7 層界面數(shù)對(duì)鈦鋁復(fù)合板界面結(jié)構(gòu)的影響。不同層數(shù)的鈦鋁復(fù)合板選用的鈦板和鋁板的厚度一致，軋后復(fù)合板厚度一致，這點(diǎn)與文獻(xiàn)[48]不同。復(fù)合板層數(shù)越多，各層金屬變形越不均勻，這主要是由于層數(shù)不同引起了變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不同，引起層間的應(yīng)變硬化不同所導(dǎo)致。與文獻(xiàn)[49]一致，隨著層數(shù)的增多，Ti/Al 界面彎曲化程度增高，表現(xiàn)出明顯的凸起和凹陷。作者認(rèn)為正是這種起伏的粗糙界面使得相鄰金屬層互相嵌入的更加牢固，這也是結(jié)合強(qiáng)度比界面平直化高的表現(xiàn)。起伏的界面主要是由于Ti、Al 兩種金屬的楊氏模量、熱膨脹系數(shù)和泊松比差異大所引起，兩種金屬的變形強(qiáng)耦合引起了層間界面發(fā)生彎曲變形[50]。經(jīng)EDS 對(duì)層間界面處的Ti 及Al 含量進(jìn)行分析，Ti∶Al=1∶3（at%），推測(cè)出層間界面處生成了TiAl3金屬間化合物相。層數(shù)多少同樣會(huì)影響界面處原子的擴(kuò)散效果，層數(shù)越多，鈦鋁之間的接觸面積越大，擴(kuò)散速度顯著；在相同熱處理?xiàng)l件下界面層厚度也越大。

3 鈦鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法

目前我國(guó)只有一個(gè)專門針對(duì)鈦復(fù)合板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 8547-2019《鈦-鋼復(fù)合板》，該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鈦鋼復(fù)合板的相關(guān)技術(shù)要求作出了規(guī)定，但并未提及性能測(cè)試方法。對(duì)于鈦基金屬?gòu)?fù)合板具體性能測(cè)試方法仍然以GB/T 6396-2008《復(fù)合板剪切性能測(cè)試方法》為基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了金屬?gòu)?fù)合板的剪切、彎曲及粘結(jié)測(cè)試方法，測(cè)試鈦鋁復(fù)合板相關(guān)性能時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。下面將分別介紹目前文獻(xiàn)中用于鈦鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法。

3.1 剪切強(qiáng)度

鈦鋁復(fù)合板的剪切強(qiáng)度測(cè)試可以參照GB/T 6396-2008 的要求執(zhí)行。該測(cè)試主要適用于鈦鋁中厚板及厚板。剪切試樣長(zhǎng)度方向應(yīng)當(dāng)與軋制方向平行。國(guó)標(biāo)中規(guī)定的剪切試樣尺寸如圖5（a）所示[51]。剪切速率對(duì)于鈦鋁復(fù)合材料一般取1 N/（mm2·s）。圖5 所示試樣尺寸適用于鈦/鋁復(fù)合板鈦層厚度＞1.5 mm。如果鈦層厚度低于1.5 mm，則需要進(jìn)行拉剪試樣。拉剪試樣尺寸如圖5（b）所示。其中特別規(guī)定試件寬度不超過(guò)復(fù)層厚度的1.5 倍。在進(jìn)行剪切或拉剪試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)力應(yīng)保持在試樣基材的中心線上，且樣品應(yīng)在受剪部位斷裂。

圖5 剪切及拉剪試樣尺寸示意Fig.5 Schematic diagram of shear and tensile shear sample

3.2 彎曲性能

彎曲性能只能定性地反映鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的大小。在彎曲過(guò)程中如果基材與復(fù)材之間不發(fā)生開裂現(xiàn)象，則可認(rèn)為復(fù)合板結(jié)合較好。彎曲試樣分為外彎曲、內(nèi)彎曲以及側(cè)彎曲三種。外彎時(shí)復(fù)材為受拉面，內(nèi)彎時(shí)則基材為受拉面，側(cè)彎的受拉面則為復(fù)合板的橫截面。其中側(cè)彎曲試驗(yàn)對(duì)于試樣尺寸的要求是復(fù)合板板厚≥（2+10）mm，其中2 指復(fù)層板厚度，10 指基層板厚度。彎曲時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膹澢霃?，?nèi)彎和外彎時(shí)的彎曲半徑一般為復(fù)合板總板厚度的2倍，彎曲角度一般取180°[51]。

3.3 剝離強(qiáng)度

對(duì)于鈦/鋁復(fù)合薄板不再適用于剪切等常規(guī)檢驗(yàn)方法。目前各國(guó)對(duì)于薄復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的檢驗(yàn)還沒(méi)有統(tǒng)一的方法。美國(guó)ASTM 及日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)中借用了T 型剝離法和180°剝離法來(lái)檢測(cè)鈦雙金屬板的結(jié)合強(qiáng)度。這兩種方法通常用于檢測(cè)粘結(jié)劑粘結(jié)后材料的粘結(jié)牢固度，對(duì)于金屬板的結(jié)合強(qiáng)度并不適用，且所得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)先高后低的趨勢(shì)變化，不便于測(cè)定準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。顏學(xué)柏等人[14]經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)開發(fā)了轉(zhuǎn)輪剝離法測(cè)試鈦鋁復(fù)合薄板的結(jié)合強(qiáng)度。該方法可以測(cè)試試樣厚度1.0～2.0 mm 的薄板。測(cè)試前需要將試樣預(yù)先剝開50～100 mm。加載速度對(duì)剝離強(qiáng)度影響不大，一般取5～20 mm/min。該方法測(cè)試鈦鋁復(fù)合板的結(jié)合性能效果良好，是否適用于其他類型復(fù)合板有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論與展望

鈦鋁復(fù)合板屬于鈦基復(fù)合板中的一大類，應(yīng)用非常廣泛。同時(shí)因?yàn)樵擃悘?fù)合板比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中界面結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)價(jià)鈦/鋁復(fù)合板制備成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。雖然學(xué)者們圍繞該研究點(diǎn)做了很多工作，但目前還沒(méi)有形成相應(yīng)的研究體系。筆者對(duì)前人工作進(jìn)行了總結(jié)，將適用于鈦鋁復(fù)合板的制備機(jī)理、影響結(jié)合強(qiáng)度的因素及其測(cè)試方法等進(jìn)行了梳理歸納，形成了如下結(jié)論：

1）鈦鋁復(fù)合板的制備方法正朝著綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、高效大規(guī)模等方向發(fā)展。其中軋制法是目前工藝發(fā)展最成熟、最容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的方法。鈦鋁復(fù)合板結(jié)合的研究機(jī)理多種多樣，目前適用于軋制法，特別是鈦鋁復(fù)合板的結(jié)合機(jī)制主要有裂口結(jié)合理論、薄膜理論以及三體理論幾種。一般來(lái)說(shuō)，軋制機(jī)制開動(dòng)越多，鈦鋁復(fù)合板結(jié)合效果則越好。

2）為了提高復(fù)合板的界面強(qiáng)度，學(xué)者們從改善軋制方法、對(duì)板進(jìn)行軋后熱處理等多個(gè)方面進(jìn)行了研究。其主要方向一是增大軋制變形率。鈦鋁復(fù)合板要實(shí)現(xiàn)良好界面結(jié)合，其變形率要大于閾值，閾值的具體數(shù)值隨軋制方法的不同而變化。二是將界面冶金層的厚度控制在合理的范圍之內(nèi)。鈦/鋁復(fù)合板界面要形成良好結(jié)合必須要通過(guò)鈦、鋁原子擴(kuò)散形成TiAl3界面層。但是該界面層的厚度必須控制在合理的范圍之內(nèi)，否則TiAl3脆性物界面層反而會(huì)惡化鈦鋁復(fù)合板的界面結(jié)合性能。三是界面層形貌對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度也有重要影響。具體表現(xiàn)為層板原始厚度以及層數(shù)都會(huì)影響鈦鋁層板之間的接觸面積及界面層的形成速度，最終影響鈦/鋁復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。

3）鈦鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試方法目前主要參照GB/T 6396-2008 執(zhí)行。但該標(biāo)準(zhǔn)中的剪切、拉剪、彎曲測(cè)試方法均適用于中厚板及厚板。鈦鋁復(fù)合薄板結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試可采用轉(zhuǎn)輪剝離法進(jìn)行。