TA1/Q235R爆炸焊接復合板界面組織及力學性能

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.鄭州航空工業管理學院 航空宇航學院，河南 鄭州 450015

0 引言

鈦/鋼雙金屬層狀復合材料兼具鈦的耐腐蝕性和鋼的高韌性、低成本的優點，在能源電力、石油化工、航空航天等領域被廣泛應用［1］，如電站機組冷凝器、PTA化學反應器等［2-5］。然而鈦和鋼兩種材料在物理和化學性質上存在較大差異，導致鈦/鋼異種金屬的焊接性較差，主要表現在：（1）鈦、鋼的熱導率、比熱容和線膨脹系數相差較大，焊接過程中熱輸入不均勻，接頭殘余應力較大；（2）鈦和鋼在高溫下易反應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/鋼復合板的技術手段主要是爆炸焊接技術。爆炸焊接是利用爆炸沖擊波的能量使異種金屬發生高速碰撞，具有結合強度高、生產成本低、適用范圍廣的特點［6-7］。鈦/鋼復合采用爆炸焊接技術，焊合速率快，熱影響區域小，殘余應力低，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/鋼爆炸焊接技術已有大量的研究成果并成功應用到工業生產中，但也對鈦/鋼爆炸焊復合材料的可靠性和穩定性提出了更高的要求［8-10］。研究者們傾向于復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。而研究爆炸復合界面的失效機理，對于提高爆炸焊接復合材料的結合強度至關重要［11］。本文分別采用拉剪試驗和拉伸試驗對復合板界面強度和拉伸強度進行測試，并通過表征爆炸復合界面微觀組織，分析界面剪切失效及拉伸失效斷裂特征，以期為TA1/Q235R爆炸復合板的應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鈦板作為復板，基板采用400 mm×400 mm×12 mm的Q235R鋼板。鈦板和鋼板的化學成分見表1。

表1 TA1和Q235R的化學成分（質量分數，%）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金屬復合板表面進行機械清理，然后垂直于板面且平行于爆轟波方向對復合板材中部均勻位置進行切割取樣。采用Zeiss EVO 10掃描電鏡對焊合界面組織和形貌進行分析。采用MTS E45.105電子萬能試驗機進行力學性能試驗，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 力學性能實驗試樣示意Fig.1 Schematic diagram of mechanical performance test specimen

2 結果及討論

2.1 組織形貌及成分分析

對爆炸焊復合界面組織進行顯微分析，可以觀察到TA1與Q235R波狀的結合界面，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板在波狀界面形成過程中的運動規律，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合過程中，界面金屬除了發生劇烈的塑性變形外，還伴隨著復雜的冶金反應。研究表明，爆炸復合波狀界面波長越長，漩渦狀組織面積越大，鑄態組織冶金缺陷也越多，越會對界面結合強度產生不利的影響［14］。

圖2 鈦/鋼復合界面組織形貌及能譜分析結果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金屬發生的冶金反應，對漩渦組織及其熔化區域進行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、鋼的碰撞結合過程中升高并超過了兩金屬熔點。跨越漩渦組織、熔化層與鋼基體進行元素線掃描分析，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。

進一步對點1、點2區域進行元素點掃描分析發現，在點1處的熔化層中，主要成分（質量分數）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（質量分數）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，Fe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，并表現出明顯的脆性，說明熔化區由脆性金屬間化合物構成，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爆炸焊復合板的界面結合強度和界面微裂紋的萌生與擴展特征，進行了拉伸剪切試驗，結果如表2所示。由表可知，TA2/Q235R復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性的波狀界面結構有關。

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

表2 TA1/Q235復合板剪切強度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鋼側和TA1鈦側斷口形貌進行分析，如圖4所示，其中圖4a～4d為鋼側斷口，圖4e～4f為鈦側斷口。試樣剪切斷裂發生在界面上，由于爆炸焊接波狀的界面結構，剪切斷口呈凹凸狀起伏結構，界面分離后分別在鈦、鋼兩側形成凹陷和凸起，如圖4a和圖4e所示。放大A區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量分數69.4%的Fe和質量分數30.2%的Ti，根據原子比例可推斷該顆粒狀化合物為TiFe2。此外在斷口凸起區域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合在鋼基體上。

鈦側剪切斷口相對于鋼側，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，對微粒進行EDS分析得知其含有質量分數為88.9%Fe和7.4%C，應為滲碳體顆粒。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合能力弱于鋼基體。綜合以上分析，可知TA1/Q235R爆炸復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爆炸焊接復合板拉伸試驗結果如表3所示，復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的名義應力-應變曲線如圖5所示，可以看出試樣在頸縮斷裂前，鈦/鋼界面處先發生了分離現象，這表明頸縮斷裂對界面的作用力大于界面結合力。

表3 TA1/Q235R復合板拉伸試驗結果Table 3 Tensile test results of TA1/Q235R composite plate

圖6為TA1/Q235R爆炸焊接復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。其中鋼側斷口韌窩尺寸較小，鈦側斷口韌窩大而深，起伏較大，反映了鈦較優的塑性。

圖6 拉伸斷口Fig.6 Tensile fracture

3 結論

（1） TA1/Q235R爆炸焊接過程中界面兩側金屬均發生了劇烈的塑性變形，實現了冶金結合，最終形成了規律的波狀結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194 MPa。拉伸強度最大為440 MPa，拉伸斷裂應力對界面的作用力大于界面法向結合力。

（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生，拉伸剪切斷裂斷口表現出大量的脆性斷裂特征，部分區域存在韌性斷口。拉伸斷口為韌性斷口。