真空狀態不同爆轟工藝下銅鋼復合材料界面組織和性能研究

王玉龍 董祥雷 趙紅亮 楊若雅 朱元華 夏金民

（1.鄭州宇光復合材料有限公司，河南 鄭州450000；2.鄭州大學，河南 鄭州 450000）

0 引言

爆炸焊接是利用炸藥爆炸時產生的沖擊力使焊件迅速碰撞，從而實現兩個或多個金屬件界面連接的方法。對于理化性能各異的金屬，采用傳統方法很難做到100%的焊接［1］。爆炸焊接作為一種特殊的焊接技術，采用爆炸焊接可制造出各種形狀尺寸及各種特殊用途的雙金屬或多金屬復合材料，能充分發揮這些材料的理化性能，以滿足不同場合的材料需求［2］。

TU1 紫銅因具有良好的導電性，且易于成形加工，被廣泛應用于電子元件、電力部件、機械設備等領域中。在實際應用中，若將TU1紫銅單獨用作結構材料，會因其強度低、密度大，其應用范圍在很大程度上受到限制。采用銅-鋼復合材料，可有效彌補TU1紫銅作為單一結構材料時的不足，但其在大氣環境中進行爆炸焊接時，金屬射流易與空氣中的成分發生反應，使界面易產生氧化物、氮化物，且易出現低熔點活潑金屬界面熔化的現象，導致爆炸焊接出現缺陷。此外，由于銅、鋼的熱膨脹系數不同，在高溫環境下，焊接區域會產生應力，在應力作用下也會產生彎曲現象［3］。

本研究對真空狀態下采用不同爆轟工藝焊接的銅鋼復合材料的金相組織結構、力學性能進行分析，總結出復合材料的界面形貌、結構強度、界面硬度規律，并結合斷口特點，旨在為材料選用、工藝驗證提供參考。

1 試驗材料和方法

覆材選用的是6 mm 厚的TU1 紫銅板材，基材選用的是20 mm厚的Q345R（正火態）鋼板材。TU1紫銅的化學成分見表1，Q345R的化學成分見表2，兩種材料的主要力學性能見表3。用薄膜封裝后再抽真空，不同爆轟工藝及參數見表4，采用順向法引爆。

表1 TU1紫銅的化學成分 單位：%

表2 Q345R的化學成分 單位：%

表3 TU1∕Q345R母材的主要力學性能

表4 不同爆轟工藝及參數

真空狀態下，采用上述3 種不同爆轟工藝分別進行試驗，用線切割沿平行于爆轟方向來截取分析試樣。使用JEM-2100型光學顯微鏡來觀察結合界面的金相組織，分析不同區域的組織結構；使用X射線衍射儀來測定復合界面的相結構組成；使用YNS1000 型電液伺服萬能試驗機來進行拉伸和剪切試驗［4］，使用HV-1000 型顯微硬度計來測定結合區域的顯微硬度。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織結構分析

取真空狀態下3 種爆轟工藝作用后的復合材料產品試樣，在相同位置截取金相進行觀察，對3種試樣分別通過打磨、拋光、腐蝕。由于TU1 紫銅與Q345 鋼材的耐腐蝕性能差異較大，可采用分步腐蝕的方法進行分步取樣，用含4%硝酸的酒精溶液腐蝕碳鋼側，采用混合試劑（配方為：醋酸、丙酮、硝酸，三者的體積比為3.5∶3∶3.5）來腐蝕TU1紫銅側［5］。在光學顯微鏡下進行觀察，拍攝的金相組織照片如圖1所示。

圖1 3種試樣結合面位置金相組織

由圖1 中可知，爆炸結合界面為類似正弦波狀結合形態。由于爆轟工藝不同，導致波紋大小出現差異。圖1（a）中，爆炸結合界面的波紋較平滑，界面結合狀態正常；圖1（b）中，爆炸結合面波紋類型較好，為正弦波狀態，界面結合性較好；圖1（c）中，爆炸結合面波紋類型呈高波峰狀態，界面結合性能好，個別位置處存在輕微過融的現象。

在爆炸焊接過程中，由于銅側高速撞擊鋼板側會產生高溫、高壓，從而使界面熔化，但又會迅速凝固成細晶組織，導致結合界面處的硬度值比其他區域的高。本體金屬銅、鋼原材料金相組織如圖2 所示。對圖2 與圖1 進行對比后可以發現：結合界面位置的組織發生“破碎”，并再結晶形成細晶粒，且隨著與結合界面的距離變遠，組織會逐漸趨向于本體金屬結構。且相對于鋼側，銅側的晶粒組織仍然呈現出較大的梯度變化。

圖2 本體金屬銅、鋼原材料金相組織

此外，由圖1 可知，界面位置出現黑色過渡帶，這是因為在爆轟過程中，鋼側碳原子向界面位置擴散。由于爆轟工藝是在真空環境下實施的，因此并未在界面處發現氧化物、氮化物等有害產物。

2.2 復合材料力學性能

2.2.1 拉伸性能。根據《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》（GB∕T 228.1—2021），對不同爆轟工藝下的3 個復合板平行試樣進行拉伸試驗［6］，試驗結果見表5。

表5 復合材料力學試驗結果

由于復合材料的抗拉強度均大于銅側、鋼側材料的抗拉強度，可滿足實際工程結構對材料力學性能的要求，因此能有效改進單一TU1紫銅強度低的不足。由剪切試驗結果可知，在不同爆轟工藝作用下，復合材料結合界面位置處的剪切強度平均值可達到238 MPa。根據工況條件的不同對爆轟工藝進行調整，從而得到更加適宜的材料力學性能，大大降低材料在服役過程出現變形的風險。

2.2.2 顯微硬度。采用顯微硬度計可對真空狀態下用不同爆轟工藝得到的復合板界面及附近區域的硬度分布情況進行測試。以結合面為基準線，分別向銅側、鋼側進行移動測量，測量點之間的間隔約為1 mm，在相同位置處截取1組試樣（3個），復合板試樣的顯微硬度分布曲線如圖3所示。

圖3 復合板試樣顯微硬度分布圖距

由圖3 可知，結合處界面的硬度值最大，達到196 HV，高于組成復合材料銅側、鋼側金屬的硬度值。這是因為爆轟過程中，兩側金屬板會發生碰撞，金屬受到強烈的壓縮作用，從而產生塑性變形，會在界面兩側產生不同程度的加工硬化。

不同爆轟工藝作用下，結合處界面硬度存在差異，由試樣3 的硬度測試曲線可知，結合處界面受到的壓縮作用更為強烈，塑性變形產生的加工硬化更高。隨著與界面距離的逐漸增加，界面兩側的硬度值逐漸降低，塑性變形區域外的硬度趨于銅側、鋼側金屬的原始硬度，這是由塑性變形逐漸減弱所導致的。

2.2.3 宏觀斷口分析。3種爆轟工藝下產品剪切試樣位置斷口［7］形貌如圖4 所示，在圖4 中能直觀地觀察到界面結合處的狀態。

圖4 3種爆轟工藝下產品剪切試樣位置斷口形貌

在圖4（a）和圖4（b）中，宏觀斷口呈周期性的凸棱和凹槽分布，這是爆轟過程波狀結合界面的特征，波峰波谷明顯可見，銅側金屬出現粘連狀態，形貌顯示整齊，分布均勻。試樣3 剪切斷口形貌見圖4（c），這一區域的形貌較為復雜，斷口表面分布有大小、深淺不一的撕裂痕跡，該區域出現韌性斷裂的趨勢。

3 結論

①真空狀態下，爆轟速度為1 950 m∕s 時，銅鋼復合材料界面呈正弦波狀結合，該界面波紋形狀平滑；爆轟速度為2 050 m∕s時，該界面波紋形狀明顯；爆轟速度為2 200 m∕s時，該界面波紋形狀最深。因此，真空狀態下，在該界面均未發現金屬間氧化物等有害物質。

②在真空狀態下，采用不同爆轟工藝得到的銅鋼復合材料的（Z向）分離強度平均值為483 MPa，界面剪切強度平均值為238 MPa，即該復合材料的力學性能均優于組成復合材料的本體材料。

③復合材料結合處界面的顯微硬度最大值達到196 HV，距界面位置越遠，硬度就越來越低，并越趨近于本體材料，且其與材料晶粒組織呈現相同變化趨勢。

④界面的宏觀斷口形貌清晰可見均勻、連續的凹凸痕跡，當爆轟速度為2 200 m∕s 時，斷口處銅側粘連情況明顯，出現較大的塑性變形，但整體結構仍保持較高的結合水平。