鈦/鋁爆炸焊界面形成機制數值模擬與試驗驗證

李巖, 李艷彪，劉翠榮, 任金鎖，趙瑞

(1.太原科技大學，太原 030024；2.山西陽煤化工機械(集團)有限公司，太原 030032)

0 前言

爆炸焊是集動力學、熱力學、材料學等多學科交叉的特種焊接方法，其具有高效、低成本、適用性廣的特點，在層狀金屬復合材料制造領域被應用廣泛[1-2]。爆炸焊從發現至今已有70余年的歷史，目前有近260種同種或異種金屬或非金屬復合材料可以用爆炸焊技術制備[3]，爆炸焊研究一直沒有退出人們的視野。爆炸焊界面是異種材料成分、組織、性能的過渡區，是決定復合材料使役壽命的關鍵部位[4-5]。爆炸焊在高溫、高壓下瞬間完成，基于目前的試驗條件，難以控制并實時觀測到爆炸焊成形瞬態過程。爆炸焊界面瞬態形成機理及其對復合材料產品質量的影響等仍未能得到令人滿意的解釋。

隨著計算機軟、硬件的發展和數值算法的進步，數值模擬技術為再現爆炸焊瞬態成形過程提供了可能[6]。利用數值模擬技術從爆炸焊成形特征出發，分析爆炸焊結合區特征，對制備高質量的爆炸焊復合材料有重要的理論和工程實踐意義。

目前，在關于爆炸焊的數值模擬中，通常是基于一維格尼公式將爆炸焊過程看作高速碰撞問題處理[7-9]。實際的爆炸焊起爆后，覆板被爆轟波折彎，與基板發生傾斜碰撞。基于一維格尼公式的高速傾斜碰撞模型不能在現爆轟波傳播過程和覆板動態折彎的過程。因此，為了更加真實地再現爆炸焊瞬態成形過程，文中建立由炸藥、覆板、基板、地基4部分組成的爆炸焊模型，以重現完整的爆炸焊成形過程。

文中以爆炸焊制備鈦/鋁復合板為例，利用ANSYS/AUTODYN非線性顯式動力學軟件建立了鈦/鋁爆炸焊2D數值仿真模型，應用光滑粒子流體動力學方法(SPH)和任意拉格朗日-歐拉法(ALE)再現了鈦/鋁復合板爆炸瞬態成形特征。進行鈦/鋁爆炸焊試驗，并利用先進材料分析手段，表征分析爆炸焊界面特征。數值模擬與試驗分析相結合，揭示鈦/鋁爆炸焊界面的形成機制。

1 試驗材料及方法

以1 mm TA1鈦板為復層，3 mm Al-1060鋁板為基層，用爆炸焊方法制備鈦/鋁層狀復合材料，材料成分見表1和表2。爆炸焊采用平行安裝的方式，選用膨化硝銨混合炸藥，密度790 kg/mm3，理論爆炸速度2 400 m/s，炸藥厚度5 mm，基板-覆板間隙4 mm，采用邊緣引爆。

表1 TA1的化學成分(質量分數,%)

表2 Al-1060的化學成分(質量分數,%)

采用慢走絲線切割沿爆轟波傳播的方向切取鈦/鋁復合材料橫截面來制備金相試塊。在基恩士(VHX-2000)超景深顯微鏡下觀察鈦/鋁復合材料界面結合形貌。蔡司SIGMA掃描電鏡(SEM)，配牛津能譜儀(EDS)對界面元素進行分析。采用電解拋光制取界面EBSD試樣，牛津EBSD表征，Channel 5軟件進行數據處理。根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，利用HV-1000B顯微硬度測試儀沿著垂直于復合板界面方向，測試界面附近顯微硬度值。

2 數值模擬建模

運用ANSYS/AUTODYN建立鈦/鋁爆炸焊過程2D計算模型。圖1是鈦/鋁爆炸焊2D數值仿真模型，模型包括炸藥20 mm×5 mm、覆板(Ti)20 mm×1 mm、基板(Al)20 mm×3 mm、地基25 mm×8 mm，基板-覆板間隙4 mm，設置邊緣起爆(起爆點)。在基板(Al)上表面取等距離間隔的特征點1～6，在覆板(Ti)下表面取等距離間隔的特征點7～12。地基采用固定邊界條件，其它物體設置為自由邊界條件。

圖1 鈦/鋁爆炸焊2D模型

模擬中炸藥選用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態方程，基板和覆板均選用Johnson-Cook本構方程和Mie-Gruneisen狀態方程[10]。選用SPH法模擬基板和覆板，選用ALE模擬炸藥和地基。

SPH法粒子的大小對模擬結果及可視化分析有重要的影響，經過多次調試和參考同類文獻的基礎上[7]，在該次模擬中，SPH法粒子的大小Δr設置為20 μm，模型中共包含56 250個粒子，ALE網格尺寸設置為0.1 mm。炸藥和材料的相關參數分別見表3[10]和表4[10]。

表3 炸藥的計算參數

表4 材料的狀態方程和本構模型參數

3 結果分析

3.1 爆炸焊瞬態成形及界面形態

圖2是鈦/鋁復合板爆炸焊成形過程。圖2a是初始安裝t=0時刻，炸藥未起爆，鈦板和鋁板平行放置；圖2b是爆轟t=1.04×10-6s時刻，當炸藥從左端起爆后，產生爆轟波，爆轟波向右傳播，爆轟產物急劇向四周膨脹，爆轟波掠過的瞬間，覆板受到突躍的強激波作用，覆板在爆轟波的作用下被折彎，通過間隙加速后，與基板發生傾斜碰撞，在結合區未見界面處有射流產生，且結合界面為平直狀；隨著爆轟波的傳播，碰撞點不斷向前推進，在t=3.23×10-6s時刻，如圖2c所示，界面處出現射流，在結合面形成波形結合。由圖2的模擬結果知，在爆炸焊中，射流并未在基板、覆板初始碰撞的時刻產生，而是隨著爆炸復合進行才出現射流，分析其主要原因為：爆炸焊試驗采用平行安裝的復合方式，初始時刻，基板和覆板平行放置，無初始安裝角，隨著爆炸焊進行，撞擊角達到一定的范圍時射流會產生。模擬結果與文獻[11-12]的論述相一致。

圖2 爆炸焊過程模擬

圖3是沿爆轟波傳播的方向，起爆點、靠近起爆點、遠離起爆點3個位置鈦/鋁界面形貌。對比試驗與模擬結果發現，在起爆點附近(a位置)鈦板和鋁板沒有實現復合，下文將詳細分析未復合原因。在離起爆點不遠的位置(b位置)鈦/鋁界面呈現平直形貌，無裂紋、氣孔等冶金缺陷；在離起爆點更遠的位置(c位置)，鈦/鋁界面呈現波狀形貌，圖4是爆炸焊界面的波紋形貌。界面結合形態，試驗結果和模擬結果相吻合，這也進一步驗證了數值模型的準確性。圖5是速度場云圖，模擬結果表明撞擊區射流的噴射速度最高可達7 000 m/s，射流極高的噴射速度為清除待結合表面的氧化薄膜和污漬，瞬間的清洗形成了新鮮的表面，為原子間的結合提供了必要的條件。

圖3 試驗與模擬鈦/鋁爆炸焊界面形態

圖4 爆炸焊界面的波紋形貌

圖5 速度場云圖

結合圖1和圖2分析可以看出，基板、覆板碰撞初期并未有射流產生，界面為平直狀，隨著復合的進行，碰撞角變大，射流產生并出現波形結合界面，這一點恰好驗證了Bahrani等人提出的射流侵徹機理[12]，即射流可以看作是低粘性流體，在高壓的侵徹作用下，材料發生變形，形成凸起，凸起不斷升高俘獲射流，碰撞點不斷向前推進，形成下一個波形，如此往復形成連續性的波狀界面。

3.2 爆炸焊界面塑性變形

圖6是鈦/鋁爆炸焊成形某時刻有效塑性應變云圖。在鈦/鋁結合區界面產生了一條明顯的塑性變形帶，且塑性應變帶呈現波狀結合形態。模擬結果表明，鈦/鋁爆炸焊界面產生了嚴重的塑性變形。模擬結果與EBSD測試得到的鈦/鋁爆炸焊界面應變結果一致，如圖7所示。

圖6 有效塑性應變云圖

圖7 鈦/鋁界面EBSD應變圖

圖8是特征點3和特征點9爆炸成形過程塑性應變隨時間變化的曲線。在t=2.2×10-6s時刻，特征點3和特征點9有效塑性應變值突然增大然后趨于平穩，這是由于覆板上炸藥所產生的爆轟波使碰撞點產生了高的速度和高的壓力，瞬時極高的壓力和速度在界面處產生了大的塑性變形。隨時間增加，有效塑性應變趨于平穩，證實了爆炸沖擊產生的塑性變形是不可逆的。另外，鈦板下表面特征點9最大有效塑性應變值為2.2，鋁板上表面特征點3最大有效塑性應變值為2.8，這是由于鋁比鈦軟，更容易產生變形造成的。

圖8 特征點3和特征點9有效塑性變形—時間曲線

圖9是鈦/鋁界面顯微硬度分布圖。沿鈦/鋁復合板界面垂直的方向，界面附近顯微硬度增大，這是由于在爆轟波的作用下，2種材料待結合界面高速撞擊，產生了嚴重的塑性變形，這一現象由模擬結果可以解釋。界面位置鈦的硬度最大，可達到210 HV，比母材140 HV增大70%，鋁側最大硬度為60 HV，比母材33 HV增大81%。說明鋁側產生的塑性變形更大，這與特征點3和特征點9最大有效塑性應變值是一致的。

圖9 爆炸焊鈦/鋁界面附近顯微硬度

3.3 爆炸焊界面晶粒細化

圖10是鈦/鋁爆炸焊過程中某一時刻界面區壓力云圖，模擬結果顯示，撞擊區域的壓力最大，且壓力場呈不對稱分布，壓力場不對稱分布與材料自身的物理性質有關，相關文獻報道，當同種材料爆炸復合時，撞擊區壓力呈對稱分布[7]。撞擊面要產生射流所需的壓力必須超過材料的動態屈服強度，材料的動態屈服極限為材料靜態屈服強度的10～12倍[13-14]。在該次模擬中，撞擊區最大壓力為29.8 GPa，遠遠大于鈦、鋁2種材料的動態屈服極限，因此在撞擊界面位置產生了射流。撞擊區壓力遠大于材料的動態屈服極限也可以解釋界面產生大塑性變形的試驗現象。

圖10 壓力分布云圖

圖11是特征點在整個爆炸焊過程中壓力隨時間變化的曲線。由圖可知，沿著爆轟波傳播的方向，起爆位置特征點1和特征點7位置壓力為零。起爆點位置由于炸藥稀疏波作用，炸藥引爆后要在一定時間內才能達到穩定的爆轟[15-16]。特征點1位置壓力極低與起爆點位置炸藥未能達到穩定爆轟有關。由圖3鈦/鋁爆炸焊界面可知，在起爆點位置模擬和試驗結果均顯示，起爆點位置界面未復合。起爆點特征點1位置產生的壓力小，爆轟載荷所未能使覆板折彎，從而不能與特征點7發生撞擊。由此可見，起爆點壓力值較低是爆炸焊邊界效應產生的本質原因。因此，爆炸焊復合板生產企業一直沿用在起爆點位置添加黑火金高能炸藥，使邊界部位盡快達到爆轟穩定，以減少爆炸焊邊界效應。

圖11 特征點壓力—時間曲線

根據圖11，起爆后2.2×10-6s時刻，特征點3和特征點9的壓力值呈脈沖狀的上升趨勢，說明此刻特征點3和特征點9發生碰撞，隨后2點壓力曲線重合，說明2撞擊點實現結合，2對撞點壓力由峰值逐漸下降，約0.8×10-6s后，下降到零。隨著爆轟波向前傳播，其他撞擊點壓力—時間曲線呈現出類似的變化情況，壓力峰值較為接近，達10 GPa數量級，極高的壓力促使待焊接表面原子之間的距離達到引力范圍之內，從而實現鈦鋁材料的焊接。

圖12為試驗獲得的鈦/鋁爆炸焊界面EBSD晶粒尺寸統計圖，鈦/鋁爆炸焊界面存在明顯的晶粒細化現象。這是由于爆炸焊極高的碰撞壓力，促使原始晶粒破碎而形成的。隨著距界面位置的增加，母材所受的碰撞壓力作用力逐漸減弱，因此，在遠離界面位置晶粒未發生細化，保留原始的形態。

圖12 鈦/鋁爆炸焊界面EBSD圖像

3.4 爆炸焊界面元素擴散

圖13是試驗獲得的垂直鈦/鋁爆炸焊界面EDS線掃描圖。鈦/鋁爆炸焊復合材料界面處，兩元素擴散曲線呈現“X”狀，2種原子的含量存在連續、平穩的過渡，說明在爆炸焊過程中Ti元素和Al元素發生了互擴散，2種金屬達到了擴散冶金結合。

圖13 鈦/鋁爆炸焊界面元素線掃描

由上述數值模擬結果知，在爆炸焊過程中，覆板在暴轟波作用下，與基板發生高速傾斜碰撞，界面處于高壓(約10 GPa數量級)、大塑性變形(有效塑性變形大于2)條件，高壓、大變形消除了待結合區表面晶格微觀缺陷，縮小了原子間距，使2原子之間產生鍵合力，有利于界面元素的相互擴散。另外，由EBSD試驗結果可以看出爆炸焊界面晶粒細化，晶界增多，另外，在強烈的外部作用力條件下，爆炸焊界面位置晶粒易產生大量的位錯[17]，晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態，易于跳躍，而位錯和晶界等缺陷位置擴散激活能是晶格內擴散激活能的1/2～1/3，晶界、位錯等對擴散起著快速的通道作用[18]，這將加速了鈦、鋁2種元素的互擴散。原子的擴散，有利于增強原子間的相互結合力，從而增加2種材料結合強度。

4 結論

(1)鈦/鋁爆炸焊界面形態的數值模擬結果與試驗觀察結果相一致，沿爆轟波傳播方向，鈦/鋁復合板結合界面由平直結合向波形結合轉變。起爆點處由于稀疏波的作用，導致起爆點位置壓力較小，出現邊界效應。

(2)鈦/鋁爆炸焊界面顯微硬度測試結果表明，爆炸焊界面存在加工硬化。模擬結果表明，炸藥所產生的爆轟波使碰撞點產生高的壓力，撞擊區壓力值可達10 GPa數量級，在鈦/鋁爆炸焊界面產生明顯的塑性變形帶，解釋了試驗中界面顯微硬度測試結果。

(3)鈦/鋁爆炸焊界面EBSD測試結果表明爆炸焊界面晶粒出現明顯細化，爆炸焊極高的碰撞壓力，是促使原始晶粒破碎導致晶粒細化的原因之一。

(4)鈦/鋁爆炸焊界面EDS線掃描表明，鈦、鋁2種元素在結合區發生了明顯的互擴散。爆炸焊時，覆板和基板高速傾斜碰撞，界面處于高壓、大塑性變形條件下，導致界面位錯和晶界等缺陷增多，為原子的擴散提供了通道，從而使鈦、鋁在界面發生互擴散，實現冶金結合。