張文鼎，李慧中, 2, 3，梁霄鵬, 2, 3，曾智恒

鈦過渡層對鋁/鋼爆炸復合板界面特性與力學性能的影響

張文鼎1，李慧中1, 2, 3，梁霄鵬1, 2, 3，曾智恒4

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；3. 中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，長沙 410083；4. 湖南方恒新材料技術股份有限公司，長沙 410083)

采用爆炸復合工藝制備具有Ti過渡層的Al/鋼復合材料，得到Al/Ti/鋼(1060/TA1/Q235B)三層爆炸復合板，對該復合板進行界面特性表征與力學性能測試。結果表明：Al/Ti/鋼復合板中的Al/Ti界面為正弦波形，Ti/鋼界面為鋸齒形，界面結合良好。Al/Ti界面和Ti/鋼界面間均形成漩渦狀熔融區(qū)，未出現(xiàn)脆性金屬間化合物區(qū)域。Al元素和Fe元素在鈦層的熱擴散層厚度分別為3 μm和3.2 μm，相較于Al/鋼界面的熱擴散層厚度分別提高76.5%和77.8%。Ti過渡層的加入使Al/鋼復合材料的界面拉脫強度由149.88 MPa提高至178.22 MPa，界面剪切強度由75.20 MPa提高至Al/Ti界面的95.55 MPa和Ti/鋼界面的332.65 MPa。

爆炸復合；過渡層技術；Al/鋼；Al/Ti/鋼；力學性能

爆炸焊接作為一種新型加工技術[1]，通過炸藥爆炸產生的能量加速上層板材(復板)運動，使其以高速斜角度狀態(tài)撞擊下層板材(基板)，復板和基板間產生劇烈的局部塑性變形，在高溫、高壓和塑性變形的共同作用下，兩金屬界面間產生局部熔融和擴散，從而實現(xiàn)冶金結合。與傳統(tǒng)焊接工藝如熔化焊[2]，摩擦焊[3]和擴散焊[4]等相比，爆炸焊接能實現(xiàn)大多數(shù)異種金屬的高強度復合。鋁及鋁合金密度小，塑性好，比強度高，耐蝕性能強，并具有良好的導電導熱性能；鋼的強度高，延展性好，具有較好的加工性能。通過爆炸焊接制備的Al/鋼復合材料兼?zhèn)銩l和鋼的金屬特性，已廣泛應用于航天、海洋、造船和化工等領域[5-8]。鋁/鋼的爆炸焊接技術研究已有近60年的歷史，但截至目前，Al/鋼爆炸復合板在性能要求極高的領域仍然無法得到有效利用。由于Al和鋼的理化性質差別極大，Al/鋼爆炸復合板的界面存在與熔化焊相似的脆性中間層[9]。中間過渡層技術作為爆炸焊接復合材料的改進技術之一，近年來受到廣泛關注。王建民等[10]制備的具有1060過渡層的5083/Q235爆炸焊接復合板，界面結合強度在75 MPa以上；張婷婷等[11]在TA2/ AZ31B爆炸焊接復合板中加入5083過渡層，避免了未熔合和過熔的焊接缺陷。

金屬Ti作為過渡層在爆炸焊接技術中鮮有報道。Ti的延展性好，比強度和比剛度高，耐熱、耐腐蝕性能優(yōu)異，但相對較高的價格限制其廣泛應用。據(jù)韓建超等[12]介紹，Al/Ti爆炸復合板界面難以形成脆性金屬間化合物，能保證Al/Ti復合板的結合強度。LI等[13]研究表明Ti/鋼爆炸復合板在具備Ti及Ti合金的高強度與耐蝕性能的同時，又具備鋼板作為結構件的強度和塑性，因而具有較好的綜合性能。本文作者在Al/鋼(1060/Q235B)復合板之間加入Ti過渡層，制備Al/Ti/鋼三層爆炸復合金屬板，采用金相顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)，能譜儀(EDS)和電子探針(EPMA)等表征手段，以及拉伸試驗、剪切試驗和硬度測試等，研究Ti過渡層對Al/鋼爆炸復合板性能的影響，以期獲得性能優(yōu)異的Al/鋼復合板材，使其在一些環(huán)境更為苛刻的領域中得到廣泛應用。

1 實驗

1.1 原材料

Al/鋼爆炸復合板所用原材料為純鋁板(1060 Al，尺寸為12 mm×1 000 mm×2 000 mm)和鋼板(Q235B，尺寸為38 mm×980 mm×1 980 mm)；Al/Ti/鋼爆炸復合板的原材料為純鋁板1 060(尺寸為12 mm×1 000 mm×2 000 mm)、純鈦板(TA1，尺寸為2 mm×1 000 mm×2 000 mm)和鋼板 (Q235B，尺寸為36 mm×980 mm×1 980 mm)。炸藥統(tǒng)一采用銨油(ANFO)炸藥。

1.2 爆炸焊接

在實際的工程應用中，爆炸焊接時材料的安裝方式有平行安裝法和傾斜安裝法兩種?？紤]到大面積板材的安裝難度與炸藥分布的均勻性，本文采用平行安裝法，采用ANFO炸藥爆轟鋁板，實現(xiàn)有效的爆炸焊接。圖1(a)和(b)所示分別為Al/鋼和Al/Ti/鋼的爆炸焊接示意圖，裝藥量以及基板與復板之間的距離分別用式(1)和式(2)進行計算[14]：

式中：為裝藥量，kg/m2；為與炸藥和復板材料相關的系數(shù)；1為復板材料厚度，mm；2為所裝炸藥厚度，mm；為基板與復板之間的距離，mm；1為復板材料的密度，kg/m3。經(jīng)過計算并修正，得到Al/鋼爆炸焊接工藝參數(shù)：Al板和鋼板間的距離為12 mm，ANFO炸藥厚度為40 mm；在Al/Ti/鋼爆炸焊接中，鋼板與Ti板間距為4 mm，Ti板與Al板間距為8 mm，ANFO炸藥厚度為40 mm。起爆雷管安裝在炸藥表面幾何中心處。

1.3 組織與性能表征

采用OU5100數(shù)字式超聲波探傷儀檢驗爆炸復合板的界面結合情況，經(jīng)超聲波探測檢驗，Al/鋼復合板和Al/Ti/鋼復合板的界面內部未出現(xiàn)較大缺陷，結合效果良好。在復合板材的幾何中心位置處取尺寸為80 mm×50 mm×50 mm的試樣塊，進行組織與性能表征。從試樣塊的結合界面處取光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和電子探針顯微分析(electron probe microanalysis，EPMA)樣品。OM樣品經(jīng)過鑲樣、拋光、腐蝕等處理后，在4XC-II型金相顯微鏡下觀察復合板界面結合處的顯微組織。通過SIRION 200型掃描電鏡觀察結合界面處的形貌及拉伸斷口形貌，并用能譜儀分析界面結合處的元素組成。通過JXA-8230型電子探針分析儀測定復合板界面擴散層的厚度，并分析界面處不同元素擴散的差異。

分別在Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板材試樣塊的結合界面處取拉伸試驗和拉脫試驗的試樣。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在Instron3369型拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，測定材料的抗拉強度。拉伸速率為1 mm/min，拉伸試樣標尺距離為18 mm。其中Al/鋼試樣的Al層和鋼層厚度均為2 mm；Al/Ti/鋼試樣中的Al層、Ti層和鋼層的厚度分別為1、2和1 mm，2種試樣的總厚度均為4 mm。在Instron3369型拉伸試驗機上，分別按照CB1343—98《鋁-鋼過渡接頭規(guī)范》和CB 20091—2012《鋁合金-鋁-鋼(不銹鋼)復合接頭規(guī)范》，對Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板進行室溫拉脫試驗，研究這兩種復合板垂直于爆炸方向的界面結合強度，拉伸速率為1 mm/min。在Al/鋼、Al/Ti和Ti/鋼結合界面處取樣，按照GB 6369—2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》在MTS811 型萬能材料試驗機上進行剪切試驗，下壓速率為1 mm/min。通過剪切試驗，測定界面的剪切強度，用于表征復合板爆炸方向的界面結合性能。拉伸試驗、拉脫試驗和剪切試驗均取3個平行試樣進行試驗。

圖1 平行安裝法制備Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的爆炸焊接示意圖

(a) Al/steel composite; (b) Al/Ti/Steel composite

用200HVS-5型維氏硬度計測定復合板的界面顯微硬度分布，施加載荷為 19.61 N，以界面連接處為中心，向兩側的測試距離為1 mm，相鄰兩個測試點間的距離為200 μm。

2 結果與討論

2.1 界面組織與結構

結合界面呈現(xiàn)波浪形是爆炸復合板性能優(yōu)良的一個重要特征[15]。圖2(a)和(b)所示分別為Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板腐蝕前的金相圖。由圖2(a)可知，Al/鋼復合板的界面以平直結合面為主，波浪形的波長與波幅較小。從圖2(b)看出Al/Ti/鋼復合板的Al/Ti界面和Ti/鋼界面形貌均以周期性波浪形界面為主，其中的Al/Ti波浪形結合界面起伏不大，呈正弦波形狀，波長約為200～250 μm，波幅約50 μm；Ti/鋼波浪形結合界面起伏較大，呈現(xiàn)鋸齒嚙合狀，波長約為400～450 μm，波幅約100 μm。Al/Ti界面和Ti/鋼界面形貌不同，主要是由于其復板的比強度不同。1060板作為Al/Ti界面成型的復板，比強度為2.64 m，TA1板作為Ti/鋼界面成型的復板，比強度為9.32 m。復板的比強度越大，形成的波形界面起伏越大，即波長和波幅較大，且易形成渦區(qū)結構。所以Al/Ti/鋼復合板的Ti/鋼界面比Al/Ti界面起伏更大。

圖2(c)和(d)所示分別為腐蝕后的Al/鋼復合板的Al/鋼界面以及Al/Ti/鋼復合板的Ti/鋼界面的鋼側基體金相圖。從圖2(c)看出，Al/鋼界面的鋼基體中明顯觀察到金屬間化合物。AKBARI等[16]曾報導Al/鋼界面的金屬間化合物主要為FeAl3、FeAl2和Fe3Al。從圖4(c)可見Al/鋼復合板的鋼側基體處晶粒被拉長，越靠近界面，晶粒拉長越明顯。從圖2(d)所示Ti/鋼界面的波峰區(qū)域也觀察到晶粒被拉長現(xiàn)象，在鋼側組織中形成一層厚度均勻的細晶區(qū)域。這是因為在爆炸復合的高溫高壓作用下，界面兩側的金屬受熱熔化發(fā)生再結晶，界面處形成細小晶粒，這可極大地提高爆炸復合板界面的結合強度。因此在Al/鋼復合板中加入過渡層Ti，可使Al/鋼平直結合界面轉化為Al/Ti和Ti/鋼的周期性波浪形結合界面，增大界面間的接觸面積，從而提高復合板的結合性能。

爆炸復合板界面重要的結合方式之一是兩種板材通過金屬間化合物連接[17]。圖3所示為Al/鋼、Al/Ti和Ti/鋼等3個界面的掃描電鏡背散射電子圖和EDS元素面掃描圖。從元素分布圖可知，圖3(a)所示Al/鋼界面照片中最暗區(qū)域和最亮區(qū)域分別為Al元素和Fe元素，嵌入鋼基體中的金屬間化合物呈現(xiàn)尾翼狀；附著在界面處的金屬間化合物呈長條狀。Al/鋼界面區(qū)域的金屬間化合物由這兩種形貌完全不同的區(qū)域組成。尾翼狀的金屬間化合物中存在明顯的缺陷和裂紋；長條狀的金屬間化合物在焊接完成后，界面金屬相互熔融凝固，形成樹枝晶。由于Al/鋼界面處存在較多的這2種不同形態(tài)的組織，導致界面結合較差。從圖3(b)和(c)可知，Al/鋼界面中兩區(qū)域的金屬間化合物的元素組成也不同，尾翼狀的金屬間化合物主要是Al元素，長條狀的金屬間化合物主要為Fe元素。圖3(d)和(g)所示分別為Al/Ti界面和Ti/鋼界面的掃描電鏡背散射電子圖。從元素面掃描圖可知，Al/Ti界面的最暗區(qū)域和最亮區(qū)域分別為Al元素和Ti元素，Ti/鋼界面的最暗區(qū)域和最亮區(qū)域分別為Ti元素和Fe元素。Al/Ti界面和Ti/鋼界面均較少形成金屬間化合物，在波浪形結合界面的波峰處，金屬射流得到累積，形成漩渦狀熔融區(qū)域。對比圖3(d)和(g)中的漩渦區(qū)，由于Ti/鋼波浪形界面的波長較長，波幅較深，導致Ti/鋼界面處的漩渦區(qū)比Al/Ti界面處的漩渦區(qū)范圍更大，漩渦更深。將Al/Ti和Ti/鋼這兩個界面與Al/鋼界面對比，發(fā)現(xiàn)Al/Ti/鋼復合板的兩個界面處金屬間化合物累積更少，界面范圍更小，且?guī)缀鯖]有出現(xiàn)裂紋和缺陷。

圖2 爆炸復合板界面腐蝕前和腐蝕后的金相圖

(a), (b) Al/steel and Al/Ti/steel composite plates before corrosion respectively(c), (d) Al/steel interface and Ti/steel interface after corrosion respectively

爆炸復合板界面的另外一種重要的結合方式是不同元素通過熱擴散進行結合[18]。適量的元素擴散會提高復合板的結合強度，但過度的元素擴散會導致結合界面生成金屬間化合物，降低復合板的結合強度[19]。對Al/鋼、Al/Ti和Ti/鋼這3個結合界面處的元素分布進行EPMA分析，結果如圖4所示。從圖4看出，在界面處，兩種元素呈層狀分布，有對應的濃度梯度。由圖4(b)和(c)可知，Al/鋼界面處，Al元素在鋼板中的擴散層厚度為1.7 μm，F(xiàn)e元素在Al板中的擴散層厚度為1.8 μm。由圖4(e)和(h)可知，在Al/Ti和Ti/鋼界面處，Al元素和Fe元素在鈦層內的熱擴散層厚度分別達到3 μm和3.2 μm。由圖4(f)和(i)可知，Ti元素在Al板和鋼板中的擴散厚度分別為2.7 μm和3 μm。在爆炸焊接過程中，界面的溫度和壓力對擴散層具有重要影響。溫度越高，壓力越大，擴散層越厚。WU等[20]的研究表明采用過渡層能提高炸藥的能量利用率，在三層爆炸復合系統(tǒng)的動量分析中，爆炸焊接過程中的空氣阻力、地基對基板的力以及其他外力對系統(tǒng)的影響都遠小于雙層爆炸復合的系統(tǒng)。在相同的炸藥能量條件下，Al/Ti和Ti/鋼結合界面形成過程中比Al/鋼結合界面形成過程中受到更劇烈的碰撞，產生更高的溫度和壓力，使Al/Ti和Ti/鋼界面的熱擴散層厚度比Al/鋼界面的熱擴散層厚度更大，從而在一定程度上提高復合板的結合強度。

圖3 Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的界面背散射電子掃描圖和EDS元素面掃描分析

(a), (b), (c) Al/steel interface; (d), (e), (f) Al/Ti interface; (g), (h), (i) Ti/steel interface

2.2 力學性能

界面拉脫強度和界面剪切強度用于對復合板界面結合強弱進行表征。表1和表2分別為Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的拉脫強度與界面剪切強度。從表1和表2可知，Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的拉脫強度平均值分別為149.88 MPa和179.04 MPa；Al/鋼、Al/Ti和Ti/鋼等3個界面的剪切強度平均值分別為75.20、95.55和332.65 MPa。在Al/鋼復合板中加入過渡層鈦后，拉脫強度提高19.5%，Al/Ti界面較Al/鋼界面剪切強度提高27.1%，Ti/鋼界面較Al/鋼界面剪切強度提高342.4%。觀察拉脫試驗后的試樣，發(fā)現(xiàn)Al/鋼試樣的斷裂發(fā)生在Al/鋼界面處，Al/Ti/鋼試樣的斷裂發(fā)生在Al/Ti界面處，表明Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的結合強度分別由Al/鋼界面和Al/Ti界面決定。從圖2和圖4可知，Al/Ti/鋼復合板的Al/Ti界面波形嚙合更好，界面間的擴散層更厚，且界面處無脆性金屬間化合物。所以其結合強度明顯提高。

圖4 界面的SEM形貌和電子探針元素分析

(a), (b), (c) Al/steel interface; (d), (e), (f) Al/Ti interface; (g), (h), (i) Ti/steel interface

表1 Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的拉脫強度

表2 Al/鋼和Ti/鋼復合板的界面剪切強度

通過3個平行試樣的拉伸試驗，測得Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的平均抗拉強度分別為332.91 MPa和543.55 MPa，伸長率分別為15.6%和10.7%。圖5所示為復合板的拉伸斷口表面SEM形貌。由于不同金屬板的泊松比不同，導致復合板拉伸斷裂的界面處出現(xiàn)開口。圖5(a)和(d)所示分別為Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的拉伸斷口SEM圖，通過對比可知，Al/鋼復合板的界面開口寬度比Al/Ti/鋼復合板中2個界面的開口寬度大，這是因為在Al/鋼復合板的拉伸過程中，Al/鋼界面處的金屬間化合物層中萌生裂紋，該裂紋的擴展比Al/Ti和Ti/鋼界面的裂紋擴展更加嚴重，故界面開口更寬。圖5(b)和(c)所示為Al/鋼界面的Al側和鋼側的形貌；圖5(e)和(f)分別為Al/Ti/鋼復合板拉伸斷口的Al側和鋼側的形貌。從圖中看出，Al/鋼界面的Al側和鋼側、Al/Ti界面的Al側和Ti/鋼界面的鋼側均存在較多的韌窩，界面的主要斷裂方式均為韌性斷裂。由于過渡層技術導致炸藥利用率提高，Al/Ti/鋼的鋼基體受到更高的溫度和壓力，發(fā)生更強烈的形變強化作用，界面處發(fā)生更明顯的晶粒細化和晶粒變形現(xiàn)象，產生形變強化效應和細晶強化效應，從而提高復合板的界面強度和硬度。

圖6所示為Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板界面處的硬度(HV)分布。隨著距界面的距離增大，由于加工硬化效果越來越弱，硬度呈現(xiàn)較明顯的下降。從圖6(a)看出，Al/鋼復合板的界面處，Al的基礎硬度值為35，鋼的基礎硬度值為160，經(jīng)過爆炸焊接的加工硬化后，界面處的Al側硬度平均值提高到42.5左右，鋼側硬度平均值提高到180左右。圖6(b)和(c)所示分別為Al/ Ti/鋼復合板的Al/Ti界面和Ti/鋼界面處的硬度分布。Ti的基礎硬度為140，Al/Ti界面的Al側和Ti側硬度平均值分別提高到40和200；Ti/鋼界面的Ti側和鋼側的硬度平均值分別從基礎硬度提高到210和205。過渡層Ti的硬度提升幅度比Al層和鋼層都大。在爆炸焊接制備Al/Ti/鋼三層復合板的過程中，Ti中間層受到兩側金屬的撞擊，兩側都產生一定的細晶強化和形變強化作用，使中間層Ti的加工硬化程度比兩側的金屬高，從而導致Ti層的力學性能提高更顯著。

圖5 Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板的拉伸斷口表面SEM形貌

(a), (b), (c) Al/steel composite; (d), (e), (f) Al/Ti/steel composite

圖6 Al/鋼和Al/Ti/鋼復合板界面附近的硬度(HV)分布

(a) Al/steel; (b) Al/Ti; (c) Ti/steel

3 結論

1) 采用爆炸復合工藝制備具有Ti過渡層的Al/鋼復合材料，得到Al/Ti/鋼三層復合板，復合板的界面結合得到改善，Al/鋼的平直界面轉變呈正弦波形的Al/Ti界面和鋸齒形的Ti/鋼界面。Al/Ti和Ti/鋼界面處生成漩渦區(qū)，且難以生成脆性金屬間化合物。Al/Ti和Ti/鋼界面處擴散層的厚度分別為3 μm和3.2 μm，較Al/鋼界面擴散層厚度分別提高76.5%和77.8%。

2) 與Al/鋼復合板相比，Al/Ti/鋼復合板的整體力學性能提高，拉脫強度由149.88 MPa提高至178.22 MPa，提高18.9%；剪切強度由75.20 MPa提高至Al/Ti的95.55 MPa和Ti/鋼界面的332.65 MPa，分別提高27.1%和342.4%。同時復合板的界面硬度提高，由結合界面處向基體兩側逐漸下降。過渡層鈦的硬度較其基礎硬度提高更顯著。

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Effects of titanium transition layer on interface characteristics and mechanical properties of Al/steel explosive composites

ZHANG Wending1, LI Huizhong1, 2, 3, LIANG Xiaopeng1, 2, 3, ZENG Zhiheng4

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China; 4. Hunan Phohom New Material Technology Co., Ltd., Changsha 410083, China)

The Al/Ti/steel (1060/TA1/Q235B) three-layer explosive composite plate was prepared by explosive composite technology with Ti transition layer. The interface characteristics of these composite plates were characterized and the mechanical properties were tested. The results show that the Al/Ti interface in the Al/Ti/steel composite plate is sinusoidal waveform, the Ti/steel interface is sawtooth waveform, and the interface is well bonded. Vortex melting zone is formed between Al/Ti and Ti/steel interface, and there is no brittle intermetallic compound region. The thickness of thermal diffusion layer of Al and Fe in titanium layer is 3 μm and 3.2 μm, respectively, which is 76.5% and 77.8% higher than that of Al/steel interface, respectively. The addition of Ti transition layer increases the bonding strength of Al/steel composite plate from 149.88 MPa to 178.22 MPa, and the interface shear strength from 75.20 MPa of Al/steel interface to 95.55 MPa of Al/Ti interface and 332.65 MPa of Ti/steel interface.

explosive cladding; interlayer technology; Al/steel; Al/Ti/steel; mechanical properties

TG392

A

1673-0224(2021)05-456-09

國家自然科學基金資助項目(51774335)

2021-06-04；

2021-07-14

李慧中，教授，博士。電話：0731-88830377；E-mail: lhz606@csu.edu.cn

(編輯 湯金芝)