銅/不銹鋼爆炸焊界面組織及性能

姜超，龍偉民,，馮健，張雷，張碩

(1.鄭州機械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州 450001；2.中機智能裝備創新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700；3.舞鋼神州重工金屬復合材料有限公司，河南 平頂山 462500)

0 前言

隨著先進裝備制造向高性能、高可靠、高精度、低成本、結構功能一體化發展，單一結構材料已難以滿足更高要求，高性能異質復合材料重要性日益凸顯[1]。銅/不銹鋼復合構件因其能夠克服單一銅材作為結構材料強度低、成本高的問題，充分發揮銅良好的導電性、導熱性及耐蝕性，綜合利用不銹鋼高強度、高耐蝕性的特點，在核電站和真空室換熱系統[2-3]、銅電解精煉設備[4]、核聚變試驗裝置[5-6]等領域有著極大的應用前景。

爆炸焊是利用炸藥爆炸產生的巨大沖擊波，驅動金屬材料發生高速運動和碰撞，從而實現冶金結合的特種焊接技術，利用爆炸焊技術可以實現銅/不銹鋼[5-7]、鋼/不銹鋼[8]、鈦/鋼[9-10]、銅/鋁[11-12]等眾多異質金屬大厚度、大面積復合，結合強度高、質量好。經過幾十年的發展，爆炸焊已經成為國內工業上生產銅/不銹鋼層狀復合材料的主要生產方法之一[13]。在理論研究方面，研究人員提出了很多關于波狀界面的形成機理，主要有覆板流侵徹機理、渦街機理、流體不穩定機理、應力波機理4種，然而尚未有一種成熟的理論得到研究人員的普遍認同，仍需進一步對波狀界面的結合特征進行研究。

文中采用經驗公式估算的爆炸焊工藝參數，制備了銅/不銹鋼爆炸焊復合板。通過對復合界面組織形貌、成分、顯微硬度、結合強度及板材拉伸試驗結果進行分析，探究材料組織和性能的變化特征，以期為爆炸焊波狀界面形成機理的研究提供參考。

1 試驗材料及方法

爆炸焊覆板采用T2紫銅，基板采用06Cr19Ni10不銹鋼，兩種材料規格均為400 mm × 400 mm ×8 mm,不銹鋼的化學成分見表1，兩種材料的主要力學性能參數見表2。

表2 銅和不銹鋼的力學性能

1.1 工藝參數計算

爆炸焊試驗采用平行安裝法進行，如圖1所示。采用預先配置的粉狀乳化銨油炸藥，爆炸速度2 500 m/s，密度0.60 g/cm3。計算裝藥厚度及板間隙距離的經驗公式如式(1)和式(2)所示[14]：

圖1 爆炸焊示意圖

(1)

h=0.2(δ0+δ1)

(2)

式中：Kg為裝藥系數，取值1.4；δ0，δ1分別為裝藥厚度和覆板厚度；ρ0，ρ1分別為炸藥密度和覆板密度；h為板間隙距離。

覆板T2紫銅密度為8.90 g/cm3，厚度為8 mm，由式(1)和式(2)可計算出理論裝藥厚度為6.226 1 cm，兩板間隙距離約為1.405 2 cm。為確保試驗精度對計算的參數進行修正，實際裝藥厚度為62 mm，板間隙14 mm。

1.2 微觀組織觀察

爆炸焊試驗完成后，沿爆轟波方向對紫銅/不銹鋼復合板進行切割取樣，金相腐蝕劑采用氯化高鐵鹽酸水溶液。采用Zeiss AxioVert.A1金相顯微鏡進行界面組織觀察，采用帶有能譜分析功能的Zeiss EVO 10掃描電鏡進行背散射圖像采集和成分分析，采用Phenom XL臺式掃描電鏡進行斷口形貌觀察。

1.3 力學性能試驗

采用MTS E45.105電子萬能試驗機進行力學性能試驗。顯微硬度分析采用HV-1000A維氏硬度儀，載荷100 g，保荷15 s。結合強度檢測參照GB/T 6396—2008進行，試樣及試驗裝置剖視圖如圖2a所示。拉伸試驗參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，加載速率為2 mm/min，試樣尺寸如圖2b所示。

圖2 力學性能試驗試樣示意圖

2 結果及討論

2.1 組織形貌及成分分析

銅/不銹鋼爆炸焊界面組織如圖3所示。銅與不銹鋼爆炸焊后形成了規律的波狀界面，波長在850 μm左右，波高約為350 μm左右，宏觀上沒有明顯可見的中間結合層，在波狀界面波谷與波峰附近可見到漩渦狀的鑄態組織(圖3a)。研究表明，波狀界面的形成能夠增大銅與不銹鋼界面的結合面積，并阻止裂紋的傳播，提高復合材料的力學性能[15]。而爆炸焊過程中射流的產生是形成良好波狀界面的重要基礎[16]，在脈沖爆炸沖擊波的作用下，覆板與基板高速碰撞，劇烈塑性變形的同時產生高溫高壓形成金屬射流，射流沖刷基、覆板表面形成活化結合面，促進了波狀界面的形成。漩渦狀組織是基板和覆板在脈沖壓力作用下，周期性捕獲射流形成的鑄態組織，它能夠反應波狀界面形成的運動規律，是爆炸焊典型的界面特征之一。根據相對界面位置的不同及爆炸沖擊波的運動方向，可將漩渦組織分為前漩渦與后漩渦，如圖3b所示。圖中還觀察到紫銅呈明顯的退火孿晶結構，并在靠近界面處發生了再結晶，大量細小的晶粒集中在界面附近；不銹鋼靠近界面區域為劇烈變形的奧氏體組織，部分晶粒呈流線型，波谷附近還觀察到典型的絕熱剪切帶(ASB)組織。遠離界面區域組織主要為板條狀馬氏體和殘余奧氏體。界面附近與遠離界面組織存在差異，這與其塑性變形程度有關，06Cr19Ni10不銹鋼對應變比較敏感，應變的增加有利于馬氏體的形成，然而靠近界面區域沒有發現馬氏體的相變，這是由于高速應變引起的溫度升高會抑制馬氏體晶胚的長大。此外，在炸藥高速沖擊載荷的作用下，波谷附近區域剪切變形量可達10～100，應變率達1×105～1×107s-1，溫度急劇上升，且升溫速度高于熱傳導速度，從而導致絕熱剪切帶的形成[15]。

圖3 爆炸焊界面微觀組織

圖4為界面附近組織的背散射圖像。分別對前、后漩渦部分區域進行能譜分析，結果如圖4a所示，后漩渦區域中Cu含量高于前漩渦區域，而不銹鋼組成元素如Fe，Cr，Ni的含量低于前漩渦區域，這表明基板和覆板在不同區域參與形成漩渦組織的熔化比例不同。對區域A放大以觀察漩渦組織形貌，如圖4b所示，漩渦組織主要由銅基體相、灰色顆粒狀析出相和破碎狀不銹鋼微粒組成。銅基體相(P4)含有少量的Fe，由銅-鐵二元相圖可推斷基體相為ε-Cu相。灰色顆粒狀析出相(P3)主要由Cu，Fe，Cr，Ni元素組成，由于界面間金屬射流的凝固速度較快，熔體冷卻速度達1×103～1×104℃/s[16-17]，且高含量的Ni能夠保留富鐵相的奧氏體結構[18]，因此推斷灰色析出相為γ-Fe相。進一步觀察界面形貌(區域B)，紫銅與不銹鋼之間固相結合，擴散層厚度約在1.5 μm左右，如圖4c～圖4d所示。

圖4 界面組織的背散射圖像

2.2 顯微硬度

為進一步分析波狀界面附近區域硬度分布情況，分別間距50 μm測定界面附近區域7×14個點位的硬度值，得到該區域顯微硬度分布云圖，如圖5所示。可以看出界面兩側顯微硬度隨著與界面距離的增加而逐漸減小，且前漩渦硬度大于后漩渦[19]。

圖5 界面區域顯微硬度分布云圖

結合組織分析結果可知，材料硬度的提高歸因于爆炸焊過程對近界面區產生的加工硬化和晶粒細化現象，而加工硬化程度隨離界面距離的增加而降低，界面附近大量的細化晶粒能夠阻礙位錯的運動，導致材料硬度的增加。此外，前漩渦較后漩渦γ-Fe顆粒的含量更高，對銅基體的彌散強化作用更強，使其具有較高的硬度。

2.3 結合強度檢測

為評價銅與不銹鋼爆炸復合的結合質量，對其結合強度進行檢測，試驗后試樣的宏觀形貌如圖6所示。試樣在銅側斷裂失效，未在界面處發生分離，斷裂強度最高為280.3 MPa，達到銅母材(板材)抗拉強度的92.2 %。試驗表明紫銅/不銹鋼爆炸復合界面結合質量較好，結合強度高于銅的強度。

圖6 結合強度檢測試樣斷后宏觀形貌

2.4 拉伸試驗及斷口分析

由于結合強度檢測試驗中斷裂發生在紫銅側，為了觀察斷裂失效后復合界面區域斷口形貌，進行了紫銅/不銹鋼爆炸焊復合板的拉伸試驗，試驗結果見表3。試樣平均抗拉強度559 MPa、平均屈服強度347 MPa，拉伸過程中沒有觀察到明顯的屈服平臺，隨著應變量的提高，名義應力平穩增長，呈現顯著的應變強化特征，應力-應變曲線如圖7所示。

表3 紫銅/不銹鋼復合板拉伸試驗結果

圖7 應力-應變曲線

圖8為爆炸焊復合板拉伸試樣斷口形貌照片，整個斷口由紫銅斷裂區、不銹鋼斷裂區、界面結合區3個區域組成。這3個區域都觀察到大量的韌窩特征，表明材料在斷裂過程中發生了充分的塑性變形。銅斷裂區的拉伸斷口呈典型的韌性斷裂特征，韌窩尺寸大而深，斷口起伏較大，如圖8b所示。不銹鋼斷裂區宏觀形貌呈纖維狀，顏色灰暗，微觀上由韌窩花樣構成，韌窩尺寸相對銅斷裂區較小，且表面較為平整，如圖8c所示。界面結合區如圖8d～圖8f所示，左部靠近不銹鋼斷裂區一側為準解理斷口形貌夾雜少量韌窩，中部可以同時觀察到韌窩狀韌性斷口及河流狀脆性準解理斷口，說明在紫銅與不銹鋼爆炸復合后，界面結合區塑性有所降低。

圖8 斷口形貌

對斷裂后的拉伸試件磨拋后觀察界面形貌，如圖9所示。斷后波狀界面波峰區域未發生明顯變形，波谷區域明顯拉長，呈凹槽狀，槽底中部及漩渦區域有少量裂紋萌生。槽底裂紋萌生后向不銹鋼一側斜向擴展，為斷裂主裂紋源，漩渦組織缺陷未對斷裂失效的產生明顯影響。

圖9 斷后界面形貌

3 結論

(1)銅與不銹鋼爆炸焊后形成了規律的波狀界面，波長在850 μm左右，波高約為350 μm左右。界面主要為固相結合，波峰與波谷區域分別嵌入了不連續的漩渦狀鑄態組織，該組織主要由ε-Cu基體、γ-Fe析出相及不銹鋼微粒組成。

(2)不銹鋼在靠近界面區域發生了劇烈的塑性變形，波谷附近形成了絕熱剪切帶，在遠離界面區域發生了馬氏體轉變。

(3)爆炸復合界面的結合強度達280.3 MPa，界面附近組織的顯微硬度明顯提高；復合板拉伸斷口界面結合區呈混合斷裂特征。