李 斌，徐 鵬，趙 峰，朱 磊，龐國(guó)慶，吳江濤，樊科社

（西安天力復(fù)合金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710200）

0 引言

鈦因?yàn)槠鋬?yōu)秀的耐腐蝕性，被大量用作化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器材料。在化工、電力、鍋爐、海洋領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是鈦的加工性能較差，尤其是作為結(jié)構(gòu)支撐部件時(shí)加工成本很高。隨著目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要向低成本高性能的方向發(fā)展，單純的鈦金屬顯然不滿足使用需求。在此條件下，鈦鋼復(fù)合板作為一種新型復(fù)合材料，既有普通鋼板作為結(jié)構(gòu)支撐部件的強(qiáng)度，又有鈦的耐蝕性，最重要的是成本得到了大幅度的降低，被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域[4-7]。

目前鈦鋼復(fù)合板的制備方法是爆炸復(fù)合法[8-10]。此方法由于制得的成品性能較好，且成本較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。通過此方法制得復(fù)合板的時(shí)間已經(jīng)超過了60 年，前人通過改變炸藥的種類已經(jīng)能夠很好地控制復(fù)合質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們也對(duì)復(fù)合板的組織和性能進(jìn)行了廣泛的研究。但是目前都集中在界面兩端的金屬變化過程，但是在爆炸過程中金屬界面間發(fā)生的反應(yīng)過程研究較少。本文以此方向?yàn)橹?，通過合適的爆炸工藝得到鈦-鋼復(fù)合板，對(duì)界面組織進(jìn)行分析，研究界面的爆炸過程中發(fā)生的變化。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用的材料為鈦板和鋼板。牌號(hào)為TA1 和Q345R。對(duì)應(yīng)的厚度為3 mm + 20 mm。復(fù)合后UT 探傷合格后進(jìn)行試驗(yàn)。

為了制備鈦鋼復(fù)合板，本實(shí)驗(yàn)采用爆炸復(fù)合方法，通過選用特定的炸藥和復(fù)合工藝制備復(fù)合板。制備完成后，將復(fù)合板通過鋸床和線切割加工成為1mm + 2 mm × 20 mm × 50 mm 的樣品，將此樣品通過2000#砂紙打磨拋光。對(duì)上述處理完成的試樣，使用Helios PFIB 電鏡對(duì)界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，找到特征組織后進(jìn)行標(biāo)定，采用U-Cut 方法進(jìn)行取樣并準(zhǔn)備后續(xù)TEM 測(cè)試。取樣位置見圖1。使用德國(guó)Bruker D8 Advance XRD 設(shè)備對(duì)膜層進(jìn)行物相分析，使用JEMF200 透射電鏡對(duì)界面進(jìn)行微觀組織觀察。

圖1 界面取樣位置（a 圖為b 圖畫線處局部放大）

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)合界面處微觀分析

鈦鋼復(fù)合板的TEM 截面形貌如圖2（a）所示。從圖中可以看出，膜層與基體之間有較為明顯的分布界面，界面在明場(chǎng)下大概有1 μm 的厚度，界面間分布著襯度各異的不規(guī)則相。界面面掃EDS 圖譜見圖2（c，d）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)界面右下側(cè)為Fe 相，界面左上側(cè)為Ti 相，界面過渡區(qū)域有部分Fe 和Ti 組成的金屬間化合物，通過EDS 點(diǎn)掃結(jié)果發(fā)現(xiàn)其Fe 和Ti 的比例近似為3∶1，如圖2（g）所示。除此之外，在明場(chǎng)下看到界面靠近Fe 基體側(cè)有部分的白色塊狀相，如圖2（b）所示，此相形貌近似梯形，分布在界面過渡層區(qū)域，相內(nèi)部無明顯孿晶存在，其相界周圍有部分位錯(cuò)存在。其內(nèi)部和相界處的HRTEM 如圖2（e，f）所示。根據(jù)FFT 變換可以得知此相為Fe 相，通過測(cè)量可以得知此相內(nèi)部的晶面間距為0.144 nm，對(duì)應(yīng)Fe 的（2，0，0）晶面，相界處的晶面間距為0.117 nm，對(duì)應(yīng)Fe 的（2，1，1）晶面。從低晶帶軸看，此相相界處周圍有較多的位錯(cuò)堆積。位錯(cuò)密度的增加可以在一定程度上增加此復(fù)合板的力學(xué)性能。

圖2 鈦鋼界面TEM 圖譜及EDS 結(jié)果

圖3（a）是界面處Fe 晶粒與界面組織的明場(chǎng)像。從圖中可以看到鐵相擁有較大的晶粒，界面區(qū)域的相能看到明顯被拉長(zhǎng)，且相界周圍有一定程度的位錯(cuò)存在。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)樵诒ㄟ^程中較大的沖擊波使得此處的晶粒產(chǎn)生了較大程度的塑性變形，晶粒中的位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)的過程中發(fā)生聚集和互相纏結(jié)，形成了位錯(cuò)胞，由于其能量較大，因此會(huì)移動(dòng)到相界周圍。從明場(chǎng)條件下還能看到晶界界面附近的原子粒徑有減小的跡象。晶粒細(xì)化可以一定程度上強(qiáng)化該復(fù)合材料的力學(xué)性能。通過對(duì)此相進(jìn)行SAED 分析，發(fā)現(xiàn)界面處以Fe 相為主，SAED 圖譜中的第二套斑點(diǎn)大部分與Fe 重合，但是仔細(xì)看能看到有第二套斑點(diǎn)近似重合于Fe 的斑點(diǎn)上。這說明界面區(qū)域除Fe之外還伴隨有極少量的金屬間化合物。靠近界面處的鐵原子的晶面間距變大，這說明界面附近的原子穩(wěn)定性變差，在外界熱的作用下原子優(yōu)先趨近于在此位置處形核。

圖3 Fe 與界面TEM 形貌及SAED 分析

圖4（a）是鈦和界面區(qū)域的明場(chǎng)像，從圖中可以看到較為明顯的分布界面，鈦側(cè)組織在靠近界面處被拉長(zhǎng)，并且在部分鈦的晶粒內(nèi)部還伴隨有位錯(cuò)的產(chǎn)生。界面區(qū)域的相具有明顯的襯度差異，且能明顯看到的分層現(xiàn)象?？拷缑嫣幍慕M織以Ti 為主，從FFT圖像中還能看到部分第二套斑點(diǎn)，說明在界面處存在著部分金屬間化合物。圖4（b）是界面位置處的HRTEM 圖譜。從圖中可以看到明顯的分界線。圖4（c）是鈦的SAED 圖譜，能明顯看到其六方晶面特征。圖4（d）是界面區(qū)域的SAED 圖譜，能看到其同時(shí)擁有六方和立方的晶型。

圖4 復(fù)合涂層的HRTEM 及IFFT 分析

從上述明場(chǎng)像和SAED 中可以發(fā)現(xiàn)，不論是在鐵-界面區(qū)域，還是鈦-界面區(qū)域，都從SAED 圖譜中發(fā)現(xiàn)了少量的金屬間化合物的存在。金屬間化合物的存在在雖然一定程度上影響了復(fù)合板的力學(xué)性能，但是從另外一個(gè)角度來看，客觀上是有利于爆炸焊接的。首先，該金屬間化合物存在的位置位于鐵側(cè)區(qū)域，靠近相鄰鐵原子的晶界附近，其大小為納米級(jí)尺度，與基體之間的接觸面積并不是很大。其次，在該區(qū)域形成的金屬間化合物是在力和熱的共同影響下通過原子擴(kuò)散形成的，形成新的金屬間化合物說明在該區(qū)域達(dá)到了形成原子擴(kuò)散的必要條件，同時(shí)該條件也是保證爆炸復(fù)合材料強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)一步來看，能否測(cè)出金屬間化合物的含量、分布和組成形態(tài)是一個(gè)值得研究的問題。圖5 是靠近界面處Fe 基體區(qū)域中的面掃EDS 結(jié)果，從圖中可以看到在Fe 基體中存在有些許Ti 的金屬間化合物，其形貌以長(zhǎng)針狀和近似球狀存在。EDS 點(diǎn)掃結(jié)果發(fā)現(xiàn)該相是Fe-Ti 的金屬間化合物，其原子比例大約為1∶10。

圖5 Fe-Ti 金屬間化合物的SEM 圖譜及EDS 結(jié)果

為了進(jìn)一步討論金屬間化合物的形貌與分布，特對(duì)界面處的明場(chǎng)像進(jìn)行了探究。圖6 是界面內(nèi)部某區(qū)域的組織明場(chǎng)像，從圖中可以看到界面處組織種類較多，且能夠看到明顯的相界，其周圍有密度較大的位錯(cuò)纏結(jié)。遠(yuǎn)離界面處的晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較小。通過對(duì)該區(qū)域進(jìn)行SAED 進(jìn)行分析，得到圖6（b）。從圖中可以明顯看到，該區(qū)域除了Fe 的一套完整斑點(diǎn)之外，還有一套金屬間化合物的斑點(diǎn)?，F(xiàn)對(duì)金屬間化合物的斑點(diǎn)進(jìn)行分析，得到其分布的暗場(chǎng)像，見圖6（c）。從圖中可以看到該相以圓球狀為主，廣泛分布于晶粒內(nèi)部，且通過襯度可以發(fā)現(xiàn)越亮的位置說明其成分越純，靠近相界處的組織襯度較小，說明在此區(qū)域由于生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力的不足，還未變成穩(wěn)定的金屬間相。通過上述暗場(chǎng)像的形貌，根據(jù)XRD 圖譜分析暗場(chǎng)下穩(wěn)定的金屬間化合物可能是FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相。

圖6 金屬間化合物的明暗場(chǎng)像

2.2 鈦鋼復(fù)合板的XRD 物相組成分析

圖7 是鈦鋼復(fù)合板的截面XRD 圖譜。通過XRD分析可知：該區(qū)域主要由Fe、Ti、FeTi 和Fe0.975Ti0.025組成。以Fe 和Ti 為主，F(xiàn)eTi 和Fe0.975Ti0.025 相作為金屬間化合物相出現(xiàn)。在爆炸過程中，基復(fù)板在高溫高壓的作用下，界面處會(huì)發(fā)生部分熔化和原子擴(kuò)散的現(xiàn)象。根據(jù)菲克定律可知，爆炸過程中基復(fù)層金屬的濃度差很大，在原子擴(kuò)散過程中提供了較大的驅(qū)動(dòng)力。除此之外，在爆炸過程中極強(qiáng)的外力作用下能夠?qū)⒔缑娓浇脑渝e(cuò)位，導(dǎo)致原子間額相互擴(kuò)散。最終形成某些金屬間化合物，導(dǎo)致影響復(fù)合板的性能。

3 結(jié)論

綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）由鈦鋼復(fù)合板界面的XRD 分析圖譜可知，界面兩端主要由Ti，F(xiàn)e 組成，界面處主要含有FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相。對(duì)復(fù)合界面進(jìn)行TEM 觀察可以發(fā)現(xiàn)Ti 與Fe 基體之間有約1 μm 厚的金屬間化合物過渡層，兩種基體金屬與界面的SAED 圖譜都顯示在界面處存在金屬間化合物，且靠近界面區(qū)域的晶粒形狀發(fā)生了明顯的變化。

（2）通過對(duì)界面處組織的SAED 分析發(fā)現(xiàn)界面處存在金屬間化合物的衍射斑，套住該衍射斑成功得到其暗場(chǎng)像，觀察發(fā)現(xiàn)金屬間化合物近似成球狀，分布于晶粒內(nèi)部，通過對(duì)比XRD 衍射峰和參考金屬間化合物結(jié)合能考慮其為FeTi 相。