厲文墨， 蔣健博，2， 劉芳芳，2， 江 坤

（1. 鞍鋼集團(tuán) 北京研究院有限公司， 北京102209；2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室， 遼寧 鞍山114009）

鈦鋼復(fù)合板是一種以普碳鋼為基層、純鈦或鈦合金為復(fù)層的先進(jìn)層狀金屬復(fù)合材料，在具有鈦材強耐腐蝕性能的同時，還兼具普通鋼的塑性與強度，而價格只有純鈦的四分之一，被廣泛應(yīng)用在石油化工、真空制鹽、海洋工程等領(lǐng)域［1-3］.軋制法制備鈦鋼復(fù)合板的工藝流程包含表面處理、組坯封焊、加熱軋制、切割分板等［4］.組坯前，鈦板與鋼板需要進(jìn)行表面處理來去除坯料表面氣體、灰塵、油脂、氧化膜等污垢.表面處理作為制備鈦鋼復(fù)合板的首要工序，是保證復(fù)合界面純凈的重要前提，而高潔凈度的復(fù)合界面是影響后續(xù)軋制復(fù)合質(zhì)量的關(guān)鍵因素［5］.

近年來，關(guān)于鈦鋼復(fù)合板的表面處理多集中于對鋼基層的修磨工藝報道，而對鈦復(fù)層表面處理工藝卻鮮有報道.受到鈦復(fù)層特有物理化學(xué)性質(zhì)的影響，鈦在200 ℃吸氫、400 ℃吸氧、600 ℃吸氮［6］，當(dāng)表面處理工藝選擇不當(dāng)時，鈦復(fù)層在修磨過程中表面極易產(chǎn)生氧化物等脆性相，致使材料表面潔凈度降低且硬度顯著升高，影響后續(xù)鈦與鋼的復(fù)合質(zhì)量［7-9］.目前主要采用機(jī)械處理法、化學(xué)處理法、激光處理法等手段，來去除鈦及鈦合金的表面油脂及氧化膜，以獲得高潔凈度的鈦復(fù)層表面［10］.機(jī)械處理法主要采用機(jī)床、磨床、噴砂等方式，雖能有效去除表面氧化物，但加工費時，且處理面積較大、厚度較薄的鈦復(fù)層難度較高.化學(xué)處理法包含酸洗、堿洗、化學(xué)鍍層等方式，適用于薄件清理，但會留下由腐蝕后液體及氣體構(gòu)成的吸附層［11］.激光處理常作為金屬鈦材的表面改性手段，清洗程度受其功率參數(shù)等因素影響，目前尚未投入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，還需實驗進(jìn)行進(jìn)一步驗證［12］.因此，針對上述關(guān)鍵性問題，十分有必要對鈦鋼復(fù)合板中的鈦復(fù)層表面潔凈處理工藝進(jìn)行深入研究.本文中通過探究噴砂、酸洗、激光清洗三種工藝對TA2 工業(yè)純鈦表面潔凈度的影響，結(jié)合表面微觀組織及顯微硬度，給出合理的鈦復(fù)層表面處理工藝，對軋制法鈦鋼復(fù)合板工業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義.

1 實驗材料及方法

本文中采用TA2 工業(yè)純鈦作為實驗材料，實測成分如表1 所列.

表1 TA2 工業(yè)純鈦的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the experiment materials （mass fraction） %

采用噴砂、酸洗、激光清洗三種工藝分別對TA2 工業(yè)純鈦進(jìn)行表面處理，處理后TA2 表面宏觀形貌如圖1 所示.其中噴砂處理時砂粒采用粒徑為38 μm 的石英砂；酸洗處理采用混酸液（3 ml HF+37 ml HNO3+60 ml H2O）；激光清洗采用HST-100 型激光清洗機(jī)，中心波長為1 064 nm，最大輸出功率為100 W，最大激光脈沖頻率為200 kHz.采用線切割將三種不同表面處理后的TA2 純工業(yè)鈦板切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣.采用金相顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）對不同表面處理工藝下的試樣表面及縱截面進(jìn)行形貌觀察，采用EDS 對表面成分進(jìn)行能譜分析.采用Qness 60 型維氏硬度計分析TA2 基體及不同表面處理后試樣的表面顯微硬度.

圖1 不同表面處理后TA2 的表面宏觀形貌Fig.1 Surface morphology of TA2 after different surface treatments（a）—噴砂；（b）—酸洗；（c）—激光清洗.

2 結(jié)果與討論

2.1 噴砂處理

噴砂處理后TA2 工業(yè)純鈦的表面形貌如圖2（a）（b）所示.為確定氧化層厚度，對垂直于試樣表面的縱截面進(jìn)行形貌觀察，如圖2（c）所示.對圖中不同位置處進(jìn)行EDS 能譜分析，如表2 所列.結(jié)合圖1（a）宏觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)噴砂處理后TA2 表面凹凸不平，無明顯金屬光澤并呈暗灰色.經(jīng)SEM 形貌觀察發(fā)現(xiàn)，噴砂處理后TA2 表面呈溝壑狀，基體中嵌入了不規(guī)則顆粒，粒徑小于30 μm.對表面中的1～4 位置處進(jìn)行EDS 分析后發(fā)現(xiàn)，噴砂處理后TA2 表面存在明顯的O 和Si，且w（O）＝6%～10%，w（Si）＜7%.其中O 為表面氧化皮殘留，Si 表明了基體中嵌入的不規(guī)則顆粒為噴砂中的石英砂所致［13］.結(jié)合圖2（c）及5 位置處能譜分析可以發(fā)現(xiàn)：試樣表面存在一層分布均勻且富含Ti 和Si 的致密氧化層，厚度約為2 μm，呈亮白色（紅色箭頭處所示，下同）；而6 位置處無明顯O 和Si，與TA2 基體成分相一致.該現(xiàn)象表明采用噴砂處理后TA2 表面潔凈度較低，存在氧化皮及石英砂殘留，不利于后續(xù)鈦復(fù)層與鋼基層的軋制復(fù)合.

圖2 噴砂處理后TA2 表面及截面形貌Fig.2 Surface and section morphology of TA2 after grit blasting treatment

表2 圖2 中各點成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Composition of each point in Figure 2 （mass fraction） %

2.2 酸洗處理

酸洗處理后TA2 工業(yè)純鈦的表面及截面形貌如圖3 所示，對圖中不同位置處進(jìn)行的EDS 能譜分析見表3.

圖3 酸洗處理后TA2 表面及截面形貌Fig.3 Surface and section morphology of TA2 after dipping treatment

表3 圖3 中各點成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Composition of each point in Figure 3（mass fraction） %

結(jié)果表明，酸洗處理后TA2 表面潔凈度較噴砂處理得到明顯改善，表面氧化皮幾乎被完全去除，w（O）＜3%.圖3（c）中試樣的截面形貌與噴砂處理后試樣的截面形貌形成鮮明對比，酸洗后TA2 表面并無明顯氧化層存在.然而酸洗處理后TA2 與混酸液發(fā)生強烈反應(yīng)，導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生不規(guī)則分布的腐蝕凹坑.對圖3（b）凹坑處進(jìn)行放大倍數(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，腐蝕凹坑內(nèi)吸附了大量細(xì)碎的不明夾雜顆粒，這會是后續(xù)鈦與鋼軋制復(fù)合的隱患.為解決這一問題，對鈦復(fù)層進(jìn)行酸洗處理后，必須采用丙酮或無水乙醇等清洗液對鈦材表面進(jìn)行潔凈處理，清洗前后TA2 的表面形貌如圖4 所示.結(jié)果表明，丙酮等有機(jī)溶劑可以有效去除酸洗腐蝕凹坑內(nèi)吸附的細(xì)碎夾雜物，采用酸洗處理作為鈦鋼復(fù)合板鈦復(fù)層表面處理工藝較為合理.

圖4 清洗前后酸洗態(tài)TA2 表面形貌Fig.4 Surface morphology of pickling TA2 before and after cleaning

2.3 激光清洗處理

為探究激光清洗工藝對鈦復(fù)層表面處理的可行性，先通過實驗得出清洗TA2 工業(yè)純鈦的優(yōu)異工藝參數(shù)：輸出功率為100 W，激光脈沖頻率為100 kHz，激光清洗速度為35 mm／s，之后得到圖1（c）中尺寸為40 mm×20 mm 的TA2 激光清洗試樣.可以發(fā)現(xiàn)，激光清洗處理后試樣表面相對明亮，露出新鮮金屬光澤，但四周邊緣位置處由于激光能量聚集而產(chǎn)生明顯的過熱現(xiàn)象，呈黑束狀.對試樣表面及截面進(jìn)行OM 形貌觀察，如圖5 所示.

圖5 激光清洗處理后TA2 表面及截面形貌Fig.5 Surface and section morphology of TA2 after laser cleaning treatment

結(jié)果表明，激光清洗后TA2 表面呈規(guī)則的環(huán)狀排列，同時還產(chǎn)生了一層致密分布的重熔層，厚度約為20 μm.有分析認(rèn)為［14-15］，規(guī)則環(huán)狀組織的產(chǎn)生主要分為以下三個階段：激光表面相變、激光表面熔化、激光表面汽化.第一階段：TA2 表面溫度升高，當(dāng)溫度超過相變點但低于熔點時，組織單一的α 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體相；第二階段：試樣表面溫度繼續(xù)升高，當(dāng)溫度超過鈦材熔點但低于汽化點時，TA2 發(fā)生熔化并形成熔池；第三階段：由于激光能量密度大，鈦材表面溫度達(dá)到汽化點并產(chǎn)生TA2 金屬蒸氣，在激光熱能的作用下，TA2金屬蒸氣在反沖壓力下重新熔覆在基體表面，最終形成一個個規(guī)則排列的環(huán)狀組織.另一方面，由于激光清洗處理的瞬時溫度較高，處理結(jié)束后被清洗區(qū)域會快速凝固，最終導(dǎo)致TA2 表面產(chǎn)生一層均勻分布的重熔層.重熔層厚度與激光功率及作用時間有關(guān)，且激光功率越大、作用時間越長，重熔層越厚.為進(jìn)一步探究激光清洗處理效果以及激光清洗對TA2 基體的影響，對試樣表面中心及邊緣位置處進(jìn)行SEM 形貌觀察，如圖6 所示；對表面不同位置處進(jìn)行EDS 能譜分析，具體見表4.

表4 圖6 中各點成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Composition of each point in Figure 6（mass fraction） %

圖6 激光清洗處理后試樣表面中心及邊緣位置處形貌Fig.6 The morphology of the center and edge of the laser cleaned sample surface after treatment

結(jié)果表明，激光清洗處理可以有效去除TA2表面氧化皮，且并無其他夾雜物產(chǎn)生，w（O）＜5%.然而通過圖6（b）可以明顯發(fā)現(xiàn)，激光清洗處理導(dǎo)致TA2 表面產(chǎn)生明顯的脆裂現(xiàn)象.分析認(rèn)為，在激光清洗處理第一階段TA2 表面已發(fā)生馬氏體相變，致使材料硬度上升；在激光清洗處理結(jié)束后，由于過冷度極大，材料表面歷經(jīng)快速加熱及冷卻，導(dǎo)致熔覆層金屬產(chǎn)生成分偏析，引發(fā)局部應(yīng)力集中，最終產(chǎn)生脆裂［16］.結(jié)合圖1（c）及圖6（c）可以發(fā)現(xiàn)，激光清洗處理后試樣表面邊緣位置處能量密度集中且瞬時溫度較高，導(dǎo)致表面重新產(chǎn)生氧化層，在電鏡下呈亮白色，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由中心處的3%上升至10%以上.上述分析說明激光清洗處理雖然可有效去除TA2 表面氧化層，但金屬表面由于激光熱能作用易產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象，且表面邊緣處易重新生成氧化物，故該工藝尚不完全適用于鈦鋼復(fù)合板的鈦復(fù)層表面處理，還需對激光清洗的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

2.4 表面顯微硬度分析

為進(jìn)一步驗證上述結(jié)論，并更直觀地反映不同表面處理工藝下TA2 表面脆化程度，采用維氏硬度計對試樣表面不同位置處進(jìn)行顯微硬度測試，壓頭載荷為0.1 N，每種工藝選取位置點數(shù)為10 個， 結(jié)果如圖7 所示.實驗結(jié)果表明：TA2 基體的顯微硬度（HV）約為200；激光清洗處理后TA2瞬時溫度較高，表面產(chǎn)生脆裂，導(dǎo)致顯微硬度顯著升高，約為385；噴砂處理后TA2 由于表面氧化層及石英砂硬脆物的存在，顯微硬度同樣較高，約為290；酸洗處理后TA2 表面潔凈度最高，無明顯氧化現(xiàn)象，顯微硬度與基體接近，約為220.因此，為得到高潔凈度且無硬脆化合物的TA2 工業(yè)純鈦表面，應(yīng)采用酸洗處理作為鈦鋼復(fù)合板中鈦復(fù)層的表面處理工藝.

圖7 TA2 基體及不同表面處理工藝下試樣表面的顯微硬度Fig.7 Surface microhardness of samples under TA2 matrix and different surface treatments

3 結(jié) 論

（1）噴砂處理后TA2 表面呈溝壑狀，存在氧化物及石英砂殘留，w（O）＝6%～10%，氧化層厚度約為2 μm，表面顯微硬度（HV）約為290.

（2）酸洗處理后TA2 表面氧化皮被完全去除，局部腐蝕凹坑內(nèi)吸附細(xì)碎夾雜物，需采用丙酮再次清洗；表面顯微硬度（HV）與TA2 基體相接近，約為220，是較為合理的鈦復(fù)層表面處理工藝.

（3）激光清洗處理后TA2 表面呈規(guī)則的環(huán)狀排列，產(chǎn)生一層約20 μm 厚的重熔層，雖能有效去除TA2 表面氧化層，但由于瞬時溫度較高，表面產(chǎn)生脆裂，顯微硬度（HV）顯著升高至385.