鈦/鋁復合板爆炸焊接技術研究進展

田曉東，王小苗，丁 旭，彭藝杰，周仁健，羅海龍

(1．長安大學，陜西 西安 710064)(2．西安航空學院，陜西 西安 710077)(3．西安市輕金屬爆炸復合材料工程研究中心，陜西 西安 710086)

鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好及高溫力學性能優異的特點，在航空航天、艦船等行業被廣泛使用，但其價格較高[1,2]。鋁合金密度小，作為主要的輕量化結構材料，是制造飛行器蒙皮的主要材料，在生產工藝和價格上較其他合金有明顯優勢，但其耐腐蝕性能較差，易發生大氣腐蝕降低飛行器蒙皮的使用壽命[3]。同時，飛行器在稠密大氣中超音速飛行時，受激波與機體間高溫壓縮氣體的加熱和機體表面與空氣強烈摩擦的影響，飛行器蒙皮的溫度隨馬赫數的提高而急劇上升，超過了鋁合金的極限使用溫度，使其強度大大削弱。因此將二者性能有效結合起來具有重要意義。但是，鈦、鋁之間的性能差異較大，直接復合具有較大的難度。爆炸焊接又稱爆炸復合，是以炸藥為能源進行金屬復合的方法，可實現300余種金屬材料的復合，且50余種金屬復合板已投入使用[4,5]。

本文總結近年來鈦/鋁復合板爆炸焊接工藝、結合界面組織及其力學性能的研究進展，并指出鈦/鋁復合板的重點發展方向，以期為推動鈦/鋁復合板在我國航空航天領域的應用提供參考。

1 鈦/鋁復合板的爆炸焊接工藝

圖1為鈦/鋁復合板爆炸焊接示意圖。均勻鋪設在覆板(鈦板)上的炸藥引燃后，產生的能量轉化為覆板的動能，覆板與基板(鋁板)發生高速傾斜碰撞，碰撞點產生金屬射流清除金屬表面的氧化膜及吸附層，潔凈的金屬表面在高溫、高壓作用下產生塑性變形、原子擴散及熔化等現象，基覆板產生復合形成鈦/鋁復合板[6-8]。

圖1 鈦/鋁復合板爆炸焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of explosion welding of Ti/Al clad plate

鈦/鋁復合板爆炸焊接通常采用邊部中心起爆、基覆板平行法安裝[9-11]，以減少因氣體殘留導致結合界面處產生孔洞等缺陷，避免起爆點附近產生過熔現象而影響復合板質量。根據爆炸系統的狀態，爆炸焊接工藝參數可分為靜態參數和動態參數。靜態參數指爆炸前系統處于靜止狀態的參數，主要包括炸藥種類、質量比R、安裝形式及間距等。動態參數指爆炸時間段內的參數，主要包括炸藥爆炸速度Vd、碰撞速度Vp、碰撞點移動速度Vc及碰撞角β等。動態參數由靜態參數決定，通過動態參數可計算出理論爆炸焊接窗口[12,13]。

1.1 靜態參數

1.1.1 炸藥種類及質量比

炸藥是影響爆炸焊接鈦/鋁復合板質量的決定性因素之一[14]。炸藥種類的選擇取決于基覆板材料的聲速，為獲得穩定的再入射流使基覆板結合界面產生自清理，炸藥爆炸速度應小于基板及覆板材料的體積聲速[4,12]。鈦、鋁的體積聲速分別為4786、5370 m/s，因此多選用爆炸速度Vd為1500～2700 m/s的中低速炸藥。表1為近年不同文獻中鈦/鋁復合板爆炸焊接主要工藝參數，炸藥多選用中低速的銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥(加入食鹽可降低爆炸速度)。

質量比R計算式如下：

(1)

式中：ρ0為炸藥密度，δ0為炸藥厚度，ρf為覆板密度，δf為覆板厚度。R增大導致碰撞速度增加，當碰撞速度大于爆炸焊接窗口下限碰撞速度Vpmin時，基覆板界面發生塑性變形并產生復合；R增大則爆炸載荷增大，有利于基覆板發生充分塑性變形增加界面結合強度，但R過大時基覆板劇烈碰撞會釋放大量熱能，導致鋁側發生熔化，使結合界面形成熔化層，降低界面結合強度。根據表1數據，基覆板間距相同時，隨質量比R增大結合界面由波狀結合轉變為熔化層結合；基覆板間距不同時，隨著質量比與基覆板間距比值的增大，結合界面轉變過程為：直線結合→波狀結合→熔化層結合。

1.1.2 基覆板間距

基覆板間距為爆炸時覆板加速提供空間。Stivers等人[26]研究表明，基覆板間距h與炸藥厚度及覆板厚度有關，計算式為：

h=0.2(δ0+δ1)

(2)

據式(2)計算得到基覆板間距，再結合經驗校正，所得復合板結合界面往往為波狀結合。表1中基覆板間距與式(2)計算結果相近的爆炸焊接試驗，其界面結合方式均為波狀結合[16-18]。

1.2 動態參數

碰撞速度Vp、碰撞點移動速度Vc及碰撞角β是爆炸焊接中主要的動態參數，三者間關系為：

(3)

任取其中2個參數可在同一平面內形成可焊性區域，即爆炸焊接窗口，一般選取Vc與β計算爆炸焊接窗口。

爆炸焊接窗口由4個邊界定義，如圖2所示。為確保金屬射流的形成，Abrahamson等人[27]認為Vcmax應為碰撞角的函數，右邊界Vcmax計算式如下：

(4)

左邊界為爆炸焊接界面波狀結合與直線結合的分界點。為確保形成良好的波狀結合界面，碰撞點移動速度應大于Vcmin，Vcmin計算式如下[28]：

表1 不同文獻中鈦/鋁復合板爆炸焊接工藝參數

(5)

式中：Re為雷諾系數(鈦/鋁復合板Re=10.6[13])；Hvp為基板維氏硬度；Hvf為覆板維氏硬度；ρp為基板密度，kg/m3；ρf為覆板密度，kg/m3。

下邊界Vpmin為碰撞點的沖擊壓力大于材料的屈服應力時的最小碰撞速度，以保證結合界面產生塑性變形，計算式如下[29]：

(6)

式中：Rm為材料抗拉強度，Pa；ρ為材料密度，kg/m3。

上邊界Vpmax為防止爆炸焊接時結合界面出現熔化層的最大碰撞速度，計算式如下[30]：

(7)

式中：N為經驗常數, 0.062；Tm為覆板熔化溫度，℃；C為覆板體積聲速，m/s；Vc為碰撞點移動速度(當采用平行法放置時，Vc為炸藥爆炸速度),m/s；K為覆板的導熱系數，W/(m·℃)；hf為覆板厚度，m；Cp為覆板的比熱容，J/(kg·℃)。

以文獻[13]中TA2/2Al2復合板動態工藝參數計算爆炸焊接窗口，結果如圖2所示。研究表明，在爆炸焊接窗口內選取動態工藝參數，所得復合板為波狀結合且無明顯缺陷，滿足生產使用要求。因此深入研究鈦/鋁復合板爆炸焊接窗口是鈦/鋁復合板研究的重要方向，選取合理的動態工藝參數對獲得高質量的鈦/鋁復合板具有重要意義。

圖2 TA2/2Al2復合板爆炸焊接窗口Fig.2 TA2/2Al2 clad plate explosion welding window

綜上所述，采用邊部中心起爆、基覆板平行法安裝方式制備鈦/鋁復合板時，動態工藝參數應在爆炸焊接窗口內，炸藥選中低速的銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥，質量比R在0.96左右，基覆板間距為h=0.2(δ0+δ1)。

2 鈦/鋁復合板的界面組織及力學性能

2.1 鈦/鋁復合板的界面組織

2.1.1 結合界面波形

鈦/鋁復合板界面結合方式可分為直線結合、波狀結合與熔化層結合，如圖3所示[16]，其中波狀結合復合板結合界面總面積最大，結合狀態最佳[26,31]。結合界面波形主要與碰撞速度Vc有關，當碰撞速度小于Vcmin時為直線結合，介于Vcmin與Vcmax之間時為波狀結合，大于Vcmax時為熔化層結合。此外，朱錫等人[31]研究了材料性能對結合界面波形的影響，結果表明，在爆炸載荷的作用下性能相同或近似材料的塑性變形能力幾乎相同，復合板結合界面為對稱的波狀結合，反之則為非對稱的波狀結合。鈦/鋁復合板的結合界面通常為非對稱的波狀結合。

圖3 鈦/鋁復合板不同結合方式的界面形貌[16]Fig.3 Interface morphologies of Ti/Al clad plate with different bonding modes:(a)straight joint; (b)wave joint; (c)melting layer bonding

表征波形的主要參數是波長和波高。已有研究表明，隨距起爆點距離的增加波長和波高逐漸增大[32]，隨質量比R的增大波長和波高也是逐漸增大[17,18]。復合板爆炸焊接過程中，炸藥爆炸由非穩定轟炸向穩定轟炸過渡，導致爆炸載荷逐漸變大，而且，距起爆點越遠基覆板間震動越劇烈，基覆板間碰撞載荷增大，從而使波長、波高逐漸變大。

2.1.2 結合界面的擴散層和金屬間化合物

復合板爆炸焊接過程中，結合界面存在的化學成分差異會產生元素擴散，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鈦/鋁金屬間化合物，影響復合板的結合強度[12]。對不同學者進行的爆炸焊接后鈦/鋁復合板結合界面形成的金屬間化合物進行了匯總，見表2。所形成的化合物通常有Ti3Al、TiAl3、TiAl2、TiAl等。Kattner等人[42]從熱力學角度分析了Ti-Al相圖，研究認為TiAl3、Ti3Al、TiAl為固態鈦與液態鋁反應生成，高溫條件下液態鋁與α-Ti經共晶反應生成TiAl或α-Ti經共析反應生成TiAl與Ti3Al，TiAl3由液態鋁與α-Ti經一系列反應生成，其中生成TiAl3的熱力學條件優于生成TiAl與Ti3Al。從圖4所示鈦/鋁金屬間化合物自由能曲線[43]可以看出，TiAl3、Ti3Al、TiAl 3種化合物中TiAl3的形成自由能最低。TiAl2分為高溫下h-TiAl2相與低溫下r-TiAl2相，h-TiAl2是以TiAl為初始相與液態鋁經固液反應生成，r-TiAl2是由Ti2Al5經共析反應生成。

爆炸焊接能量由炸藥提供，炸藥爆炸速度會影響鈦/鋁復合板結合界面金屬間化合物的生成。由表2可知，在低爆炸速度(1900～1950 m/s)下結合界面主要生成TiAl3、Ti3Al、TiAl2和TiAl化合物；當爆炸速度為2200 m/s時，結合界面主要生成TiAl3、TiAl2和TiAl化合物；在高爆炸速度(4200～4500 m/s)下結合界面主要生成TiAl3和TiAl2。這是由于結合界面處溫度隨爆炸速度的增大而升高，固態鈦或TiAl與液態鋁經固液反應轉變成TiAl3及TiAl2。

表2 爆炸焊接后鈦/鋁復合板界面形成的金屬間化合物

圖4 鈦鋁金屬間化合物自由能曲線[43]Fig.4 Free energy curves of Ti-Al intermetallic compounds

眾多學者[20-23,25,33,34,39-41]對鈦/鋁復合板進行了630～650 ℃熱處理，研究探索其結合界面微觀組織演變。結果表明，熱處理后的鈦/鋁復合板結合界面僅生成TiAl3連續層，這是由于Ti3Al形成自由能最低，且生成TiAl3的界面能增加最低，因此在結合界面生成TiAl3的幾率最大，熱處理后復合板結合界面僅有TiAl3存在。

2.2 鈦/鋁復合板力學性能和失效機制

鈦/鋁復合板的力學性能參數通常有界面硬度、彎曲性能、抗剪切強度、抗拉強度等。鈦/鋁復合板結合界面處硬度為1.421～2.499 GPa[16,17,24,32,36]，與爆炸焊接導致的加工硬化程度有關，也與爆炸焊接時結合界面處溫度快速上升和下降導致的細晶細化作用有關[7,12,16,24]。鈦/鋁復合板抗彎強度通?？蛇_235～288 MPa，且彎曲至160°～180°結合界面不出現分層[7,12,15,17,19,22]。其抗剪切強度主要由結合界面原子擴散和波形決定，隨工藝不同在72.1～151.2 MPa[12,16-18]之間；經過(440～450)℃/(2～3)h熱處理后，界面抗剪切強度通常為80 MPa左右。在基覆板之間增加過渡層(通常為1060鋁合金)，有助于提高界面抗剪切強度[18]。鈦/鋁復合板的抗拉強度在165.5～430.3 MPa之間，與基覆板材料牌號、厚度及爆炸焊接工藝有關；延伸率約為20%[7,15-19,25]。鈦/鋁復合板的拉伸斷口為典型的韌性斷裂[12,16,18,35,38]，失效通常是由于局部熔化區內金屬間化合物在拉應力作用下產生微裂紋，隨應變量的增大，裂紋變大并延伸至鈦側、鋁側，使鈦/鋁復合板結合界面發生分層，最后導致鋁側、鈦側相繼斷裂。

3 結 語

國內外有關鈦/鋁復合板爆炸焊接的研究已取得一定的成果。按照現有研究成果，炸藥可選用銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥(加工業鹽)，質量比R為0.96左右，起爆方式為邊部中心起爆，基覆板采用平行法安裝，基覆板間距為h=0.2(δ0+δ1)；動態工藝參數在爆炸焊接窗口內可減少鈦/鋁復合板結合界面金屬間化合物的產生，有利于得到高界面結合質量的鈦/鋁復合板。今后，鈦/鋁復合板爆炸焊接工藝研究應針對當前爆炸焊接中存在的問題，在以下方面加強研究。

(1)鈦/鋁爆炸焊接產品形狀的研究主要集中在板/板的簡單復合，后續應充分發揮爆炸焊接的優勢，拓寬鈦/鋁爆炸焊接的形狀，如管與管、板與管等。

(2)為響應國家綠色環保產業的建設，研究人員應加強研制新型炸藥，減少爆炸焊接對環境的污染，提高能源利用率。

(3)爆炸焊接技術具有不可逆性、瞬時性及危險性的特點，且工藝參數通常為經驗公式與實際操作經驗共同決定，為獲得最優的爆炸焊接工藝須進行多次試驗，從而增加試驗周期，造成材料及人力的浪費，增加生產成本，因此應不斷完善爆炸焊接數值模擬理論，為復合材料爆炸焊接工藝發展提供強有力的支撐。