钛-钢爆炸压接-轧制复合板的研究

李雪交, 马宏昊, 沈兆武, 王鲁庆, 余 勇

(中国科学技术大学 中科院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230026)

1 引 言

随着现代工业的发展,单一金属组元的性能难以满足要求,而层状金属复合板结合了金属组元各自的优点,具有较高的经济效益与应用前景,已广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、船舶、化工等领域[1-3]。目前层状金属复合板的生产主要采用轧制法、爆炸焊接法和爆炸焊接-轧制法。但爆炸焊接法生产层状复合板覆层厚度受到限制,覆层较厚时碰撞能量较大,界面易产生过熔现象,而且焊接药量较大,产生严重的环境污染、震动和噪声[4]。热轧法生产复合板工艺复杂,金属材料较为活泼时复合板界面金属易氧化,而冷轧法生产复合板的厚度受到轧机轧制力的限制。

钛及其合金具有良好的耐腐蚀性能、耐热性以及碳钢的强度和塑性,广泛应用到石化设备容器制造、 核电设备冷凝器、海水工程等领域。钛-钢复合板具有钛材优良的耐腐蚀性能以及钢材的强度,而且可降低成本和节约大量的钛材。但钛-钢爆炸焊接时界面易产生过熔现象和脆性金属间化合物,影响复合板界面的结合质量。韩丽青[5]等研究了TA2/316L复合板结合区附近显微组织结构和成分。结果表明结合区存有不连续的熔化层,该层含有大量金属基体小碎块和金属间化合物,并伴随着裂纹、气孔等缺陷的产生。赵峰[6]等分析爆炸焊接-热轧条件下钛-钢复合板界面两侧金属元素分布和界面微观形貌变化,结果表明复合板界面呈平直状,靠近钢侧界面出现脱碳层,引起界面附近碳元素重新分布。Mousavi[7]等研究表明较高爆炸载荷时钛-钢复合板界面生成大量的脆性金属间化合物 Fe2Ti、Fe2Ti4O 和 Cr2Ti,波峰和波谷的熔化块随着爆炸载荷的增大而增加。Manikandan[8]等认为复合板界面中间过渡层的厚度取决于覆层与基层碰撞过程的动能损失。

针对目前钛-钢爆炸复合存在的药量较大、覆层较厚难以焊合等问题,本研究提出开有燕尾槽的钛板与钢板间隙配合后,通过爆炸压接-热轧工艺制备钛-钢复合板。

2 实验材料

实验采用尺寸为5.5 mm×150 mm×300 mm 的Q345钢板和30 mm×150 mm×300 mm的TA2钛板分别作为爆炸压接的基层与覆层,其物理与力学性能如表1所示。

钢板表面开出上底面2 mm、下底面3 mm、高1 mm的燕尾槽后,将表面开有相同尺寸的燕尾槽钛板与燕尾槽钢板间隙配合一起,其中两金属板的燕尾槽间距均为3 mm。然后将蜂窝结构炸药平铺覆板表面,起爆端位于炸药的中间位置,如图1所示。实验采用铝蜂窝板作为炸药药框,其材质为厚50 μm的3003H24铝合金,蜂窝孔呈正六边形,边长8 mm,如图2所示。蜂窝铝结构炸药由填满蜂窝板孔隙的低爆速乳化炸药制成,如图3所示。

表1金属材料的物理与力学性能

Table1Physical and mechanical properties of metallic materials

materialT/℃ρ/g·cm-3HVσs/MPaσb/MPaC/m·s-1TA2titanium16684．511453724424140Q345steel15127．851686006095924

Note:Tis the melting point of metallic material;ρis the density of metallic material;HVis the Vickers hardness of metallic material;σsis the yield strength of metallic material;σbis the tensile strength of metallic material;Cis the sonic speed of metallic material.

图1爆炸压接装置示意图

Fig.1Schematic diagram of explosive press bonding set-up

图2铝蜂窝板

Fig.2Aluminum honeycomb panel

图3蜂窝铝结构炸药

Fig.3Aluminum honeycomb explosive

爆炸压接和热轧后分别采用Carl Zeiss Axio Imager A1m型金相显微镜和XL-30 type型扫描电镜观察钛-钢复合板界面微观形貌,再通过TTR-III型X射线衍射仪分析爆炸压接-热轧复合板界面相组分。钛-钢复合板的腐蚀液为kroll试剂(HF∶HNO3∶H2O=2∶4∶94)。

3 爆炸压接-轧制参数

3.1 蜂窝铝结构炸药临界厚度

实验采用蜂窝铝结构炸药作为爆炸压接炸药,为得到填充蜂窝板的乳化炸药和蜂窝铝结构炸药的临界厚度,分别选用4种不同厚度(7,8,9,10 mm)的蜂窝铝结构炸药测量爆速,结果见表2。

表2蜂窝铝结构炸药临界厚度

Table2Critical thickness of aluminum honeycomb explosive

thickness/mmdetonationvelocityofA/m·s-1detonationvelocityofB/m·s-17misfire-8half⁃explosion-92549-102513-16-misfire17-half⁃explosion18-246019-2506

Note: A is aluminum honeycomb explosive; B is emulsion explosive.

由表2可知,蜂窝铝结构炸药临界厚度为9 mm,平均爆速为2530.5 m·s-1。而填充铝蜂窝板的低爆速乳化炸药的临界厚度为18 mm, 平均爆速为2483 m·s-1。这是由于蜂窝板孔隙各向约束提高了炸药的传爆能力,降低了炸药的临界厚度,故爆速也有所提高[4]。

3.2 钛-钢复合板爆炸焊接参数

单位面积炸药药量与药厚的经验公式可表达为[9]:

(1)

δ0=Wg/ρ0

(2)

R=ρ0δ0/ρ1δ1

(3)

式中,kg为计算系数,金属钛板取1.43;R为覆板与炸药的质量比;Wg为单位面炸药量,g·cm-2;ρ0为炸药的密度,g·cm-3;δ0为炸药厚度,cm;δ1为覆板的厚度,cm;ρ1为覆板的密度,g·cm-3。

由式(1)～(3)得到钛-钢复合板爆炸焊接参数,如表3所示。

表3钛-钢复合板爆炸压接参数

Table3Explosive pressure welding parameters of Ti-Steel clad plate

methodexplosivepressureweldingexplosiveweldingdensityofexplosive/g·cm-30．820．82chargeperunitarea/g·cm-20．822．20amountofcharge/g369990massratio0．330．88thicknessofexplosive/mm10．026．8

3.3 钛-钢复合板爆炸压接参数

由于平均爆速2530.5 m·s-1的蜂窝铝结构乳化炸药临界直径为9 mm,所以采用厚10 mm的蜂窝铝结构炸药进行钛-钢爆炸压接实验,其参数如表3所示。

3.4 钛-钢复合板热轧参数

爆炸压接后将钛-钢复合板放入高温电炉保温30 min,开轧温度为800 ℃[1,10-11],然后沿着平行燕尾槽方向进行轧制,最终得到尺寸为7.0 mm×300 mm×750 mm的钛-钢复合板,其中钛层厚0.9～1.1 mm,如图4所示。

图4钛-钢爆炸压接-热轧复合板

Fig.4Ti-Steel clad plate by explosive pressure welding and hot rolling

4 实验结果与分析

由图4可知,间隙配合的燕尾槽钛板与钢板采用爆炸压接-热轧法生产的钛-钢复合板界面结合良好,其比爆炸焊接法节约62.7%炸药(见表3),可减小爆炸产生的环境污染、震动与噪声。爆炸压接-热轧法生产钛-钢复合板可减小炸药药量,而且无爆炸焊接可焊性窗口的限制。

爆轰压力作用下间隙配合的两金属板界面产生塑性变形,导致燕尾槽钛板与钢板相互挤压啮合一起。由于复合板界面两侧的钛和铁元素浓度呈阶梯分布,轧制变形过程界面裸露出的新鲜金属在高温的作用下相互扩散,并产生紧密的结合力。总之,爆炸压接-热轧复合板在燕尾槽的挤压啮合以及金属间的相互扩散共同作用下实现冶金结合。

4.1 钛-钢复合板界面微观形貌观察

为研究钛-钢复合板界面结合质量,分别观察爆炸压接以及热轧后复合板界面微观形貌。图5为钛-钢复合板金相组织观察位置,分别位于复合板燕尾槽界面拐角处(A)、倾斜面(B)、上底面(C)和下底面(D)。

图5钛-钢复合板金相组织观察位置

Fig.5The location of morphological observation of Ti-steel clad plate

4.1.1 爆炸压接复合板界面金相组织

根据图5标注的位置,采用金相显微镜得到爆炸压接复合板燕尾槽界面拐角处、倾斜面、上底面和下底面的金相组织,如图6所示。

a. interface of cornerb. interface of the inclined surface

c. interface of the upper surfaced. interface of the lower surface

图6钛-钢爆炸压接复合板界面金相组织

Fig.6Metallographic images at the interfaces of Ti-steel clad plate by explosive pressure welding surface

图6a和图6b分别为燕尾槽界面拐角处和倾斜面的金相组织,图6c和图6d分别为燕尾槽界面上底面以及下底面的金相组织。由图6可知,爆炸压接后复合板界面出现宽5～45 μm的缝隙,缝隙内含有细小的金属颗粒,钛-钢复合板燕尾槽倾斜面的缝隙比上底面和下底面宽,因为爆轰压力方向与燕尾槽上底面和下底面垂直,而与倾斜面呈一定的倾斜角,导致燕尾槽上底面与下底面的界面压力比倾斜面大。复合板界面出现大量细小的金属颗粒则是由金属颗粒在爆轰压力的作用下脱离金属板内表面进入缝隙所引起。

由图6b、图6c和图6d可知,靠近界面金属的晶粒基本未发生变化,而图6a拐角处Q345钢晶粒呈纤维状,这是由于拐角处局部区域的Q345钢晶粒受到挤压,导致该处金属产生强烈的塑性变形,从而出现纤维状的晶粒组织。爆轰压力作用下界面两侧的金属产生强烈的塑性变形,从而间隙配合的钛板与钢板依靠燕尾槽的挤压变形啮合一起。但界面空气受到绝热压缩产生的高温和高压不足以使界面金属产生塑性流动和冶金结合,所以钛-钢爆炸压接复合板界面出现缝隙。

4.1.2 爆炸压接-热轧复合板界面金相组织

为将间隙配合的燕尾槽钛板和钢板焊接一起,采用热轧法轧制钛-钢爆炸压接复合板。然后通过观察燕尾槽界面拐角处、倾斜面、上底面和下底面的金相组织,研究钛-钢爆炸压接-热轧复合板结合质量,如图7所示。

a. interface of cornerb. interface of the inclined surface

c. interface of the upper surfaced. interface of the lower surface

图7爆炸压接-热轧复合板界面金相组织

Fig.7Metallographic images at the interfaces of the clad plate by explosive pressure welding and hot rolling

图7a和图7b分别为爆炸压接-热轧后复合板的燕尾槽界面拐角处和倾斜面的金相组织; 图7c和图7d分别为爆炸压接-热轧后复合板的燕尾槽界面上底面与下底面的金相组织。由图7可知,爆炸压接-热轧后复合板的钛层与钢层以直接结合的方式复合,界面呈平直状,钢层晶粒呈纤维状。热轧变形过程中界面空气被排出,同时界面金属破裂裸露出新鲜金属,由于复合板界面两侧的钛和铁元素浓度呈阶梯分布,在高温轧制力的作用下相互扩散实现冶金结合,形成紧密的结合力。由于轧制变形较大,复合板钢侧晶粒沿着轧制方向被拉伸,呈细小的纤维状。

4.2 XRD分析

钛与钢的相互扩散可能导致界面生成金属间化合物[7,12-13],影响复合板结合性能。实验采用XRD分析钛-钢爆炸压接-热轧复合界面是否有脆性相生成,结果如图8所示。

图8钛-钢复合板界面XRD图谱

Fig.8X-ray diffraction patterns at the interfaces of Ti-steel clad plate

由图8可知,复合板结合界面由Ti和Fe两种基本相组成,无金属间化合物生成。热轧时界面两侧的钛元素和铁元素浓度呈阶梯分布,导致金属原子向浓度低的一侧扩散,所以XRD分析时钛侧表面含有铁元素。金属原子适量的相互扩散有利于提高复合板界面结合质量。

4.3 弯曲试验

弯曲试验可表征复合材料承受弯曲载荷时的表面状态,反映材料的塑性变形能力。根据NB/T 47002-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》,分别沿着燕尾槽截面方向(见图1)和垂直燕尾槽界面方向各切割两个弯曲试样后,采用MTS-809万能试验机进行外弯和内弯试验,检测钛-钢爆炸压接-热轧复合板承受弯曲荷载时界面结合质量。弯曲试件尺寸为 (1.1+5.9) mm×10 mm×180 mm,测试条件与结果分别如表4和图9所示。

由图9可知,沿着横向与纵向切割的试样弯曲时均未发生分离或局部出现裂纹等现象,界面保持完好,表明爆炸压接-热轧法生产的钛-钢复合板冷加工弯曲性能良好。

表4钛-钢复合板弯曲实验测试条件与结果

Table4Bending test conditions and results of Ti-steel clad plate

directionL/mmh/mmD/mmα/(°)bondingqualitytransverse1806．340150noseparationlongitudinal1806．340150noseparation

Note:Lis specimen length;his specimen thickness;Dis bend diameter;αis bending angle.

a. parallel to cross-section of dovetail grooves

b. perpendicular to cross-section of dovetail grooves

图9弯曲试样

Fig.9Bending specimens

5 结 论

(1) 间隙配合的钛板与钢板通过爆炸压接-热轧工艺得到尺寸7.0 mm×300 mm×750 mm的钛-钢复合板,其在燕尾槽的挤压啮合以及金属间的相互扩散共同作用下实现冶金结合。

(2) 爆速为2530.5 m·s-1的蜂窝铝结构炸药临界直径为9 mm。铝蜂窝板可保证炸药各位置厚度基本相同。

(3) 爆炸压接钛-钢复合板界面出现5～45 mm的缝隙,而爆炸压接-热轧复合板实现冶金结合,界面结合质量良好,无金属间化合物生成。爆炸压接-热轧法生产钛-钢复合板比爆炸焊接法节约62.7%炸药。

(4) 横向和纵向试件弯曲时未出现分离,说明爆炸压接-轧制钛-钢复合板具有良好的冷加工弯曲性能。

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