姜超，龍偉民，鐘素娟，樊喜剛，廖志謙，魏永強

1.鄭州機械研究所有限公司新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

2.洛陽船舶材料研究所（中國船舶集團有限公司第七二五研究所），河南 洛陽 471023

3.北京星航機電裝備有限公司，北京 100071

4.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空宇航學(xué)院，河南 鄭州 450015

0 引言

鈦/鋼雙金屬層狀復(fù)合材料兼具鈦的耐腐蝕性和鋼的高韌性、低成本的優(yōu)點，在能源電力、石油化工、航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［1］，如電站機組冷凝器、PTA化學(xué)反應(yīng)器等［2-5］。然而鈦和鋼兩種材料在物理和化學(xué)性質(zhì)上存在較大差異，導(dǎo)致鈦/鋼異種金屬的焊接性較差，主要表現(xiàn)在：（1）鈦、鋼的熱導(dǎo)率、比熱容和線膨脹系數(shù)相差較大，焊接過程中熱輸入不均勻，接頭殘余應(yīng)力較大；（2）鈦和鋼在高溫下易反應(yīng)生成脆性金屬間化合物和氧化物，接頭塑性較差。

目前制備鈦/鋼復(fù)合板的技術(shù)手段主要是爆炸焊接技術(shù)。爆炸焊接是利用爆炸沖擊波的能量使異種金屬發(fā)生高速碰撞，具有結(jié)合強度高、生產(chǎn)成本低、適用范圍廣的特點［6-7］。鈦/鋼復(fù)合采用爆炸焊接技術(shù)，焊合速率快，熱影響區(qū)域小，殘余應(yīng)力低，能夠有效減少金屬間化合物的生成。近年來研究人員針對鈦/鋼爆炸焊接技術(shù)已有大量的研究成果并成功應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，但也對鈦/鋼爆炸焊復(fù)合材料的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求［8-10］。研究者們傾向于復(fù)合界面的抗拉或剪切強度的測試分析，對于界面的破壞機理研究較少。而研究爆炸復(fù)合界面的失效機理，對于提高爆炸焊接復(fù)合材料的結(jié)合強度至關(guān)重要［11］。本文分別采用拉剪試驗和拉伸試驗對復(fù)合板界面強度和拉伸強度進(jìn)行測試，并通過表征爆炸復(fù)合界面微觀組織，分析界面剪切失效及拉伸失效斷裂特征，以期為TA1/Q235R爆炸復(fù)合板的應(yīng)用和工藝改善提供有益參考。

1 試驗材料及方法

試驗采用410 mm×410 mm×5 mm的TA1鈦板作為復(fù)板，基板采用400 mm×400 mm×12 mm的Q235R鋼板。鈦板和鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 TA1和Q235R的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compostions of TA1 and Q235R（wt.%）

爆炸焊接采用的炸藥密度為0.65 g/cm3，平均爆速2 300 m/s，裝藥厚度30 mm，基覆板間隙值4 mm。焊接完成后，首先對TA1/Q235R金屬復(fù)合板表面進(jìn)行機械清理，然后垂直于板面且平行于爆轟波方向?qū)?fù)合板材中部均勻位置進(jìn)行切割取樣。采用Zeiss EVO 10掃描電鏡對焊合界面組織和形貌進(jìn)行分析。采用MTS E45.105電子萬能試驗機進(jìn)行力學(xué)性能試驗，其中拉剪試驗參考GB/T 6396—2008加工剪切試樣，拉伸試驗參照GB/T 228.1—2021進(jìn)行，加載速率為1.5 mm/min，試樣尺寸分別如圖1所示。

圖1 力學(xué)性能實驗試樣示意Fig.1 Schematic diagram of mechanical performance test specimen

2 結(jié)果及討論

2.1 組織形貌及成分分析

對爆炸焊復(fù)合界面組織進(jìn)行顯微分析，可以觀察到TA1與Q235R波狀的結(jié)合界面，波谷附近存在漩渦狀組織，如圖2a所示。漩渦組織是基板和復(fù)板在脈沖壓力作用下周期性捕獲射流形成的，它能夠反映基板和復(fù)板在波狀界面形成過程中的運動規(guī)律，是爆炸焊接典型的界面特征之一［12-13］。如圖2b所示，漩渦組織沿波形界面周期性分布，其中可以觀察到微裂紋、夾雜物、金屬熔化層等組織缺陷。缺陷的形成表明在爆炸復(fù)合過程中，界面金屬除了發(fā)生劇烈的塑性變形外，還伴隨著復(fù)雜的冶金反應(yīng)。研究表明，爆炸復(fù)合波狀界面波長越長，漩渦狀組織面積越大，鑄態(tài)組織冶金缺陷也越多，越會對界面結(jié)合強度產(chǎn)生不利的影響［14］。

圖2 鈦/鋼復(fù)合界面組織形貌及能譜分析結(jié)果Fig.2 Microstructure and EDS results of titanium/steel interface

為了研究波狀界面形成過程中兩側(cè)金屬發(fā)生的冶金反應(yīng)，對漩渦組織及其熔化區(qū)域進(jìn)行EDS分析。如圖2c、2d所示，黑色熔化層的形成表明界面溫度在鈦、鋼的碰撞結(jié)合過程中升高并超過了兩金屬熔點?？缭戒鰷u組織、熔化層與鋼基體進(jìn)行元素線掃描分析，如圖2d所示，漩渦組織基體相對于熔化層Fe含量更高，且由于爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓均有利于界面元素的擴散［15-17］，熔化層與鋼基體在界面形成了一層擴散層。

進(jìn)一步對點1、點2區(qū)域進(jìn)行元素點掃描分析發(fā)現(xiàn)，在點1處的熔化層中，主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為71.59%Fe、28.25%Ti和微量的其他元素。點2處的漩渦組織基體中，主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為73.77%Fe和26.06%Ti。由Ti-Fe二元相圖可知，鈦在高溫時以體心立方的β-Ti形式存在，常溫下為密排立方晶格的α-Ti，F(xiàn)e在α-Ti中溶解度極低，不超過0.5%，而在β-Ti中溶解度較高，兩者在冷卻時易形成TiFe和TiFe2這兩種脆性的金屬間化合物，影響界面性能［18］。由于熔化層中存在穿透裂紋，并表現(xiàn)出明顯的脆性，說明熔化區(qū)由脆性金屬間化合物構(gòu)成，因此可以推斷漩渦組織可能由TiFe和TiFe2組成。

2.2 拉伸剪切試驗及斷口分析

為研究TA2/Q235R爆炸焊復(fù)合板的界面結(jié)合強度和界面微裂紋的萌生與擴展特征，進(jìn)行了拉伸剪切試驗，結(jié)果如表2所示。由表可知，TA2/Q235R復(fù)合板的最大抗剪強度為194 MPa。圖3為試樣2在拉伸剪切過程中的力-位移曲線，由圖可知，剪切力隨著位移的增大逐漸增大，達(dá)到峰值后，呈階梯狀下降趨勢，這與不均勻的漩渦組織和不連續(xù)性的波狀界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖3 剪切力-位移曲線Fig.3 Shear force-displacement curve

表2 TA1/Q235復(fù)合板剪切強度Table 2 Shear strength of TA1/Q235 composite plate

為研究界面失效機理，分別對拉伸剪切試樣Q235R鋼側(cè)和TA1鈦側(cè)斷口形貌進(jìn)行分析，如圖4所示，其中圖4a～4d為鋼側(cè)斷口，圖4e～4f為鈦側(cè)斷口。試樣剪切斷裂發(fā)生在界面上，由于爆炸焊接波狀的界面結(jié)構(gòu)，剪切斷口呈凹凸?fàn)钇鸱Y(jié)構(gòu)，界面分離后分別在鈦、鋼兩側(cè)形成凹陷和凸起，如圖4a和圖4e所示。放大A區(qū)域可以看到顆粒狀的金屬間化合物，如圖4b所示，EDS分析得知其主要元素為質(zhì)量分?jǐn)?shù)69.4%的Fe和質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.2%的Ti，根據(jù)原子比例可推斷該顆粒狀化合物為TiFe2。此外在斷口凸起區(qū)域B還可以觀察到鱗片狀的金屬間化合物層，表面存在大量微裂紋及脆性斷裂特征，如圖4c、4d所示，結(jié)合界面組織形貌可以推斷出，該金屬間化合物層為漩渦組織與鋼基體界面處的金屬熔化層，由于熔化層與鋼基體之間擴散層的存在，熔化層能夠緊密地結(jié)合在鋼基體上。

鈦側(cè)剪切斷口相對于鋼側(cè)，表面較為光滑，斷口凸棱上可以觀察到金屬間化合物的氧化物，如圖4f所示。同時在D區(qū)域還可以觀察到剪切韌窩和大量白色微粒，如圖4g所示，對微粒進(jìn)行EDS分析得知其含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.9%Fe和7.4%C，應(yīng)為滲碳體顆粒。又由圖4g、4h可知，TiFe、TiFe2組成的脆性化合物分布在Ti基體上，且界面處分布有較大的裂紋，這表明界面金屬間化合物與鈦基體的結(jié)合能力弱于鋼基體。綜合以上分析，可知TA1/Q235R爆炸復(fù)合界面斷口具有韌性和脆性的混合斷裂特征。

2.3 拉伸試驗及斷口分析

TA1/Q235R爆炸焊接復(fù)合板拉伸試驗結(jié)果如表3所示，復(fù)合板的平均抗拉強度約為443.8 MPa，斷后伸長率平均值為26.1%。其中拉伸試樣2的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，可以看出試樣在頸縮斷裂前，鈦/鋼界面處先發(fā)生了分離現(xiàn)象，這表明頸縮斷裂對界面的作用力大于界面結(jié)合力。

表3 TA1/Q235R復(fù)合板拉伸試驗結(jié)果Table 3 Tensile test results of TA1/Q235R composite plate

圖6為TA1/Q235R爆炸焊接復(fù)合板拉伸試樣斷口形貌照片，TA1與Q235R在拉伸至斷裂過程前均發(fā)生了充分的塑性變形，斷口都觀察到大量的韌窩特征。其中鋼側(cè)斷口韌窩尺寸較小，鈦側(cè)斷口韌窩大而深，起伏較大，反映了鈦較優(yōu)的塑性。

圖6 拉伸斷口Fig.6 Tensile fracture

3 結(jié)論

（1） TA1/Q235R爆炸焊接過程中界面兩側(cè)金屬均發(fā)生了劇烈的塑性變形，實現(xiàn)了冶金結(jié)合，最終形成了規(guī)律的波狀結(jié)合界面以及不均勻的漩渦狀組織，漩渦組織主要由TiFe和TiFe2等脆性金屬間化合物組成。

（2） 界面剪切強度可達(dá)194 MPa。拉伸強度最大為440 MPa，拉伸斷裂應(yīng)力對界面的作用力大于界面法向結(jié)合力。

（3） 界面裂紋、脆性金屬間化合物等缺陷使界面失效沿波形軌跡發(fā)生，拉伸剪切斷裂斷口表現(xiàn)出大量的脆性斷裂特征，部分區(qū)域存在韌性斷口。拉伸斷口為韌性斷口。