鈦鋼復合板界面組織研究

李 斌，徐 鵬，趙 峰，朱 磊，龐國慶，吳江濤，樊科社

（西安天力復合金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710200）

0 引言

鈦因為其優秀的耐腐蝕性，被大量用作化學反應容器、熱交換器材料。在化工、電力、鍋爐、海洋領域都有廣泛的應用[1-3]。但是鈦的加工性能較差，尤其是作為結構支撐部件時加工成本很高。隨著目前科學技術的發展，需要向低成本高性能的方向發展，單純的鈦金屬顯然不滿足使用需求。在此條件下，鈦鋼復合板作為一種新型復合材料，既有普通鋼板作為結構支撐部件的強度，又有鈦的耐蝕性，最重要的是成本得到了大幅度的降低，被廣泛應用于各大領域[4-7]。

目前鈦鋼復合板的制備方法是爆炸復合法[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用。通過此方法制得復合板的時間已經超過了60 年，前人通過改變炸藥的種類已經能夠很好地控制復合質量。國內外的學者們也對復合板的組織和性能進行了廣泛的研究。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生的反應過程研究較少。本文以此方向為主，通過合適的爆炸工藝得到鈦-鋼復合板，對界面組織進行分析，研究界面的爆炸過程中發生的變化。

1 實驗儀器

實驗采用的材料為鈦板和鋼板。牌號為TA1 和Q345R。對應的厚度為3 mm + 20 mm。復合后UT 探傷合格后進行試驗。

為了制備鈦鋼復合板，本實驗采用爆炸復合方法，通過選用特定的炸藥和復合工藝制備復合板。制備完成后，將復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。對上述處理完成的試樣，使用Helios PFIB 電鏡對界面結構進行觀察，找到特征組織后進行標定，采用U-Cut 方法進行取樣并準備后續TEM 測試。取樣位置見圖1。使用德國Bruker D8 Advance XRD 設備對膜層進行物相分析，使用JEMF200 透射電鏡對界面進行微觀組織觀察。

圖1 界面取樣位置（a 圖為b 圖畫線處局部放大）

2 結果與分析

2.1 結合界面處微觀分析

鈦鋼復合板的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，界面在明場下大概有1 μm 的厚度，界面間分布著襯度各異的不規則相。界面面掃EDS 圖譜見圖2（c，d）。從圖中可以發現界面右下側為Fe 相，界面左上側為Ti 相，界面過渡區域有部分Fe 和Ti 組成的金屬間化合物，通過EDS 點掃結果發現其Fe 和Ti 的比例近似為3∶1，如圖2（g）所示。除此之外，在明場下看到界面靠近Fe 基體側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域，相內部無明顯孿晶存在，其相界周圍有部分位錯存在。其內部和相界處的HRTEM 如圖2（e，f）所示。根據FFT 變換可以得知此相為Fe 相，通過測量可以得知此相內部的晶面間距為0.144 nm，對應Fe 的（2，0，0）晶面，相界處的晶面間距為0.117 nm，對應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堆積。位錯密度的增加可以在一定程度上增加此復合板的力學性能。

圖2 鈦鋼界面TEM 圖譜及EDS 結果

圖3（a）是界面處Fe 晶粒與界面組織的明場像。從圖中可以看到鐵相擁有較大的晶粒，界面區域的相能看到明顯被拉長，且相界周圍有一定程度的位錯存在。發生這種現象的原因可能是因為在爆炸過程中較大的沖擊波使得此處的晶粒產生了較大程度的塑性變形，晶粒中的位錯在運動的過程中發生聚集和互相纏結，形成了位錯胞，由于其能量較大，因此會移動到相界周圍。從明場條件下還能看到晶界界面附近的原子粒徑有減小的跡象。晶粒細化可以一定程度上強化該復合材料的力學性能。通過對此相進行SAED 分析，發現界面處以Fe 相為主，SAED 圖譜中的第二套斑點大部分與Fe 重合，但是仔細看能看到有第二套斑點近似重合于Fe 的斑點上。這說明界面區域除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定性變差，在外界熱的作用下原子優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）是鈦和界面區域的明場像，從圖中可以看到較為明顯的分布界面，鈦側組織在靠近界面處被拉長，并且在部分鈦的晶粒內部還伴隨有位錯的產生。界面區域的相具有明顯的襯度差異，且能明顯看到的分層現象。靠近界面處的組織以Ti 為主，從FFT圖像中還能看到部分第二套斑點，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）是界面區域的SAED 圖譜，能看到其同時擁有六方和立方的晶型。

圖4 復合涂層的HRTEM 及IFFT 分析

從上述明場像和SAED 中可以發現，不論是在鐵-界面區域，還是鈦-界面區域，都從SAED 圖譜中發現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合板的力學性能，但是從另外一個角度來看，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區域，靠近相鄰鐵原子的晶界附近，其大小為納米級尺度，與基體之間的接觸面積并不是很大。其次，在該區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散形成的，形成新的金屬間化合物說明在該區域達到了形成原子擴散的必要條件，同時該條件也是保證爆炸復合材料強度的關鍵參數。進一步來看，能否測出金屬間化合物的含量、分布和組成形態是一個值得研究的問題。圖5 是靠近界面處Fe 基體區域中的面掃EDS 結果，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，其形貌以長針狀和近似球狀存在。EDS 點掃結果發現該相是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 結果

為了進一步討論金屬間化合物的形貌與分布，特對界面處的明場像進行了探究。圖6 是界面內部某區域的組織明場像，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纏結。遠離界面處的晶粒內部位錯密度較小。通過對該區域進行SAED 進行分析，得到圖6（b）。從圖中可以明顯看到，該區域除了Fe 的一套完整斑點之外，還有一套金屬間化合物的斑點。現對金屬間化合物的斑點進行分析，得到其分布的暗場像，見圖6（c）。從圖中可以看到該相以圓球狀為主，廣泛分布于晶粒內部，且通過襯度可以發現越亮的位置說明其成分越純，靠近相界處的組織襯度較小，說明在此區域由于生長驅動力的不足，還未變成穩定的金屬間相。通過上述暗場像的形貌，根據XRD 圖譜分析暗場下穩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像

2.2 鈦鋼復合板的XRD 物相組成分析

圖7 是鈦鋼復合板的截面XRD 圖譜。通過XRD分析可知：該區域主要由Fe、Ti、FeTi 和Fe0.975Ti0.025組成。以Fe 和Ti 為主，FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相作為金屬間化合物相出現。在爆炸過程中，基復板在高溫高壓的作用下，界面處會發生部分熔化和原子擴散的現象。根據菲克定律可知，爆炸過程中基復層金屬的濃度差很大，在原子擴散過程中提供了較大的驅動力。除此之外，在爆炸過程中極強的外力作用下能夠將界面附近的原子錯位，導致原子間額相互擴散。最終形成某些金屬間化合物，導致影響復合板的性能。

3 結論

綜上分析，得出以下結論：

（1）由鈦鋼復合板界面的XRD 分析圖譜可知，界面兩端主要由Ti，Fe 組成，界面處主要含有FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相。對復合界面進行TEM 觀察可以發現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，且靠近界面區域的晶粒形狀發生了明顯的變化。

（2）通過對界面處組織的SAED 分析發現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像，觀察發現金屬間化合物近似成球狀，分布于晶粒內部，通過對比XRD 衍射峰和參考金屬間化合物結合能考慮其為FeTi 相。