304/Q245R爆炸复合板结合区缺陷研究及相分析

王 爽，刘爱民，郑 燕，王 鹏，张 罡

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110159;2.沈阳东方钛业股份有限公司，辽宁沈阳 110168;3.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869)

0 引言

爆炸复合板投入生产60多年以来，工程应用越来越广泛。不锈钢/碳钢爆炸复合板兼备覆层的耐蚀、耐热和基层的高强度，与其他材料相比，无论在耗材节能还是在力学性能方面都有很大的优势［1－3］。

结合界面缺陷组织和相结构组成与爆炸复合板焊接质量息息相关;熔化、“岛”组织、气孔和缩松等缺陷组织，在受力加载过程中可萌生裂纹，尤其在爆炸复合板焊接时对接头性能影响极大［4－5］。

文中通过研究分析304/Q245R爆炸复合板结合区缺陷组织与相结构组成，了解结合界面失效和相变化产生原因，为实际应用提供一定的理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

304/Q245R复合板化学成分和力学性能分别如表1，2所示。

表1 冷轧Q245R和304化学成分 %

表2 Q245R和304力学性能

1.2 试验方法

本试验通过500 mm×500 mm×17 mm基板和550 mm×550 mm×3 mm覆板的爆炸复合，采用密度为25 kg/m2的2#岩石改性炸药，间距为8～10 mm，用黄油作为缓冲层，中心起爆。

截取尺寸为20 mm×20 mm×5 mm的试样，砂纸采用 240#，400#，600#，800#，1000#和 1200#;然后采用PG－2C型抛光机进行抛光，最后浸蚀，因基、覆板材质不同，覆层304不锈钢采用王水浸蚀，配制好的王水溶液需放置24 h后使用，基层Q245R采用4%硝酸酒精溶液浸蚀。为了使试样表面无污物，在每次水洗后都要用酒精擦拭，然后再用热风吹干。

文中采用德国Axiovert 200 MAT金相显微镜观察及测量结合区熔化、“全岛”和“半岛”组织;采用日本S－3400N扫描电镜观察结合界面的气孔和缩松组织，对“全岛”组织和气孔进行EDS能谱检测，然后与基体成分进行对比分析;采用Rigaku UltimaⅣX射线衍射仪对复合板基、覆层以及结合区进行物相检测，扫描方法为步进式，电压 40 kV，扫描范围 2θ:15°～115°，线切割截取试样位置如图1所示。试验时考虑因择优取向问题而产生的影响，在304侧选取4块试样，结合界面选取2块试样和Q245R侧选取1块试样在同一平面内进行XRD检测。

图1 XRD试样截取

2 试验结果及分析

2.1 界面熔化组织

熔化组织在光学显微镜下的形貌见图2。

图2 结合区熔化组织形貌

图2示出连续的熔化组织形貌，可以看到一些经熔化后凝固的细晶组织;在熔化组织内聚集着气孔、缩松、夹杂和孔洞等铸造缺陷，在受力状态下会使结合区内结合强度降低［6］。

熔化层的产生多数归因于射流，而形成射流热量的来源有以下方面:

(1)爆轰、冲击波和膨胀高压气体的作用使复板与基板高速碰撞，在碰撞点处产生的1～10 GPa高压使其附近区域发生能量的活化、物质状态的改变，并导致高温，造成表面金属熔化、射流金属和等离子体形成等非常复杂的物理变化和化学变化;

(2)当复合板的复合速度超过声速时，在缝内的气体就遇到声障问题，来不及排出，堵塞在冲击点之前压力增大，加之巨大的冲击压力作用，气体被绝热压缩，使温度骤然上升;

(3)高压碰撞引起的瞬时、高应变速率、高速剪切变形所产生的能量转变同样会聚集很大的热量［7］。

因此，爆炸焊接能量的输入对结合区熔化组织形成有很大影响，在该工艺下的爆炸复合板应适量减少炸药量，使得界面熔化现象减少。

2.2 “全岛”和“半岛”组织

“全岛”和“半岛”组织，是指在爆炸复合过程中，含有基材成分的不规则形状组织，全部或者部分进入到覆材中，所形成的像“岛”一样的组织形貌特征。

“全岛”和“半岛”组织在光学显微镜下的形貌如图3所示。

图3(a)示出爆炸复合板“全岛”组织形貌，图3(b)示出“全岛”组织局部放大形貌，其尺寸为38.3 μm ×15.7 μm。对“全岛”组织进行能谱分析，成分质量比:Fe:96.99%，Cr:2.06%，Ni:0.52%，与复合板基材接近，但也含有少量覆材元素，这些元素在基材中是没有的，因此在“全岛”组织中发生了元素的扩散，这一论点与文献［8］中所涉及的相吻合，是爆炸焊接过程所发生的扩散现象所致。这有可能是由于爆炸时因能量和冲击波过大的缘故造成的。

图3(c)示出爆炸复合板“半岛”组织形貌，尺寸为 99.6 μm × 55.4 μm，其组织形貌并不均匀，夹杂一些聚集物，在增大结合面积有利于结合强度，但同时也在结合处产生缺陷。

“全岛”和“半岛”组织是基板部分被融入到覆板的特殊形貌，即“多余”的碳钢组织局部或者全部被卷入到不锈钢中。其形成原因是在爆炸焊接过程中，射流组织和靠近结合界面的严重塑性变形金属(半流体)，随着爆轰波的传递，在爆轰力的作用下，使Q245R侧熔化流体组织“伸入”或者“飘入”到304 不锈钢组织侧［9－11］。

图3 “全岛”和“半岛”组织

2.3 气孔和缩松组织

气孔和缩松组织在扫描电镜下的形貌如图4所示。

图4(a)示出爆炸复合板基层Q245R侧气孔形貌，其成分质量比:Fe:81.93%，Si:0.13%，Cr:6.85%，Ni:1.47%，由于气孔所在位置为基层侧，其所含Fe，Si元素比基体略低，Cr，Ni元素为覆层扩散所致。其形成主要原因为:

(1)由于液态金属中含有气体或结合面中水分的析出，其冷凝极快，即使含有极少量气体，也来不及排出;

(2)来自被卷入的高压气体，这些气体在强烈湍流作用下，被封闭在结晶致密的腔体内根本无法排出［7］。

图4 结合区气孔和缩松组织形貌

图4(b)示出Q245R侧缩松组织形貌，存在一些尺寸大小不一的空洞物，其结晶金属颗粒并不连续，在爆炸复合板焊接中称其为松散颗粒结晶组织。其形成原因是复板与基板空隙之中的气体在爆轰波作用下被卷进漩涡，有的分散在结晶颗粒之间，使凝固的金属不能连续生长，形成松散的结晶状态，并有空洞存在［7］。

由图4可看出，由气孔和缩松在界面处所存在的不连续和不均匀组织，不仅会降低其微观结合强度，而且将影响服役过程中耐疲劳和耐腐蚀等性能［12－13］。

2.4 XRD检测结果及分析

基覆层和结合区XRD检测结果如图5所示。

图5 基覆层和结合区XRD检测结果

可以看出，基层物相主要含有α铁素体，晶面指数分别为(110)，(200)和(211);结合区物相主要含有γ奥氏体(111)，(200)和(311)以及α'马氏体(110)，(200)和(211);覆层物相主要含有γ 奥氏体(111)，(200)，(220)和(311)以及 α'马氏体(110)，(200)和(211)。可以看出晶面指数之间是相互对应的，304奥氏体不锈钢组织是亚稳态结构，经冷轧处理时，可应变诱发α'马氏体(体心立方结构，bcc)，随着变形量的增加α'马氏体也在增加，但到一定程度时，马氏体量不再增加，故可在覆层中发现α'马氏体组织存在［14］。

从结合区和覆层的α'马氏体峰值对比可以看出，结合区中α'马氏体的峰值强度增加，其形成原因主要为:

(1)因结合区截取试样含有304不锈钢，爆炸复合过程中在结合界面处存在高温、高形变速率和快冷等α'马氏体的产生条件，这点在文献［7］中也提到，304不休钢在爆炸复合过程中会产生α'马氏体转变;

(2)基层侧铁素体组织在大的塑性变形下有α'马氏体转变。结合区γ奥氏体峰值强度降低，一方面是结合区中覆层面积小于覆层选材试验面积，故扫描强度变弱;另一方面是有部分γ奥氏体转变为 α'马氏体［7］。

因此，304/Q245R爆炸复合过程中存在α'马氏体的转变过程，故其界面硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能均会受到影响。

3 结语

(1)在此工艺下生产的304/Q245R爆炸复合板中存在熔化、“全岛”、“半岛”、气孔和缩松等缺陷组织，它们对结合区强度及服役过程中的耐疲劳和耐腐蚀性能有着不良影响，炸药量应适当减小;

(2)爆炸复合过程中，在爆炸轰击波、高温和高应变率作用下，发生了α'马氏体转变，对复合板的力学性能有一定影响。

［1］ 王耀华.金属板材爆炸焊接研究与实践［M］.北京:国防工业出版社，2007:8－11.

［2］ RAMAZAN K.An Investigation on the Explosive Cladding of 316L Stainless Steel－din－P355GH Steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，152:91 －96.

［3］ BEHCET G.Investigation of Interface Properties and Weldability of Aluminum and Copper Plates by Explosive Welding Method［J］.Materials and Design，2008，29:275－278.

［4］ Crossland Bernard.Explosive Welding of Metals and Its Applications［M］.Oxford University Press.，1982.

［5］ ACARER M，ULENC B G，FINDIK F.The Influence of Some Factors on Steel/Steel Bonding Quality on There Characteristics of Explosive Welding Joints［J］.Mater.Sci.，2004，39:6457 －6466.

［6］ 郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用［M］.长沙:中南大学出版社，2007:495－496.

［7］ 韩顺昌.爆炸焊接界面相变与断口组织［M］.北京:国防工业出版社，2011:61－67.

［8］ 王全柱，邓光平，侯发臣.AZ31/7A52复合材料爆炸焊接工艺研究［J］.材料开发与应用，2011，35(1):29－33.

［9］ 王鹏，张罡，邹克让，等.316L/15CrMoR爆炸复合板结合区微观组织研究［J］.压力容器，2011，28(11):14－20.

［10］ 李晓波.不锈钢复合板的界面组织结构与性能［J］.中北大学学报(自然科学版)，2006，27(4):365－368.

［11］ 康显桂，郑远谋，康君笃.不锈钢－碳钢爆炸复合板结合区的电子探针研究［J］.广东有色金属学报，1996，6(2):125 －132.

［12］ 张保奇，王德和，李晓杰，等.321－15CrMoR爆炸焊接复合板结合界面区的显微组织分析［J］.焊接学报，2006，27(2):108 －112.

［13］ 侯书增.QBe2/Q235的爆炸焊接工艺及其界面结构性能的研究［D］.洛阳:洛阳科技大学，2010:27.

［14］ 王健，杨卓越，陈嘉砚，等.304不锈钢应变诱发α'马氏体相变及对力学性能的影响［J］.物理测试，2006，24(5):8－11.