爆炸焊接法制备大面积钽/锆/钛/钢四层复合板

樊科社，李平仓，吴江涛，王虎年

(西安天力金属复合材料有限公司， 西安 710201)



爆炸焊接法制备大面积钽/锆/钛/钢四层复合板

樊科社，李平仓，吴江涛，王虎年

(西安天力金属复合材料有限公司， 西安 710201)

在小板实验的基础上，对钽/锆/钛/钢四层复合板进行了研制，确定了爆炸焊接工艺参数并结合力学性能及结合界面质量进行综合评估。结果表明：试制的大面积钽/锆/钛/钢四层复合板完全符合预期设计要求，为后续大规模生产提供了指导。

爆炸复合；钽/锆/钛/钢四层复合板；力学性能

爆炸复合是爆炸加工领域的一种新型加工工艺，主要用于实现有色金属,不锈钢材、稀有金属与低合金钢、不锈钢、碳钢或其他材料的大面积焊接，得到层状金属复合材料[1～3]。该种复合材料具有耐腐蚀，耐高温，耐磨等优良性能，同时基层金属具有良好的力学性能和加工性能。这样就节省大量的稀有金属、有色金属、不锈钢材。随着工业的不断发展，该种复合材料已被广泛地应用于化工、制药、冶炼等行业。

在实际工业生产中，稀有金属的抗腐蚀性能也有差异。这种差异一方面表现在不同材质对同种腐蚀条件下抗腐蚀性的差异，例如在氯化氢的氛围中，不锈钢零部件的使用寿命仅3个月，而使用0.2 mm的钽板代替，使用寿命可达20年之久。另一方面表现在同种材质对不同腐蚀条件下抗腐蚀性的差异。例如钛材在常温下，对4%浓度的硫酸表现出良好的抗腐蚀性，但当温度达到60 ℃时，其腐蚀速率将增大6倍。实际生产中，同一台设备多数情况下，往往接触到不同状态下的腐蚀液，导致单一的耐腐蚀金属复合板不能满足实际生产条件的要求。而采用不同材质的金属复合板，不同稀有金属间的高品质焊接又很难实现[4～8]。如能使用多层稀有金属复合板，并在使用中通过每层边部剥离后实现高品质焊接，就可大大减少材料的浪费。

1 主要技术指标

1.1 材质规格及技术指标

材质：Ta1/Zr-3(R60702)/TA1/Q345R

规格：1.5/3/2/24×2 000×4 500 mm

技术指标：按ASTM B898—2005标准，主要指标如下：① 面积结合率为B级，不小于97%，单个缺陷直径不大于75 mm；② 剪切强度不小于137.9 MPa。

1.2 原材料力学性能

原材料力学性能见表1。

表1 力学性能

2 工艺路线

基复板准备→基复板表面处理→基复板组配→锆、钛、钢板三层一次爆炸复合→UT(超声波探伤)检验→退火处理→校平处理→性能检验→表面处理→钽、锆/钛/钢复合板组配→爆炸复合→UT检验→退火处理→校平处理→后续处理(切割、UT、表面处理、性能检测等)。

3 试验用炸药的选择

本项目采用国家定点生产的铵油炸药，由于所采购炸药的性能爆速过高，无法满足本项目技术要求，因此，在国家政策范围内，加入添加剂改变炸药性能。

添加剂的选择原则是：与主体炸药有很好的相容性，符合技术要求。本文选用的添加剂包括滑石粉、食盐，表2所列为本项目使用添加剂后的炸药性能参数。

表2 使用添加剂后的炸药性能参数

综合对比表中所列4种炸药的性能参数，可知2#炸药达到所期望的低爆速高猛度要求，故采用2#炸药作为本实验所用炸药。

4 小试板试验

在研制好具有稳定爆轰距离的炸药后，对小试板进行工艺试验。

1) 小试板规格

小试板的编号为1-1#。

规格：1.5/3/2/24×400×2 500 mm

2) 基复板表面处理及光洁度测试

爆炸复合要求基复板表面光、洁、净，基复板的表面光洁度越高，其复合后结合质量也越高，因此在爆炸复合之前需对基复板进行表面处理。基复板表面抛光后每层复合面光洁度测试数值如表3所示。

表3 每层待复合面光洁度平均值

对试板1-1#的每层待复合面进行光洁度测量后，其结果符合爆炸焊接光洁度的内控要求，可以进行爆炸复合。现场进行光洁度测量，如图1所示。

图1 光洁度测试

3) 锆/钛/钢的双层一次爆炸复合

锆/钛/钢的双层一次爆炸(起爆位置在短边中部)，药高45～65 mm，支撑高度(即基复板之间的间隙，为复板碰撞基板提供一定的加速度空间)3～8/4～12 m。布药方式如图2所示。

4) 性能检验

小板爆炸复合后(如图3)，进行UT检验，结果为除雷管区外全部结合良好，然后进行消应力退火处理。热处理制度为：箱式电阻炉加热，随炉升温，在540±10 ℃保温3 h，炉冷至≤300 ℃，出炉空冷。试板出炉冷却后进行校平处理，再进行UT检验，结果为除雷管区外全部结合良好。校平进行UT检验后对试板取样进行力学性能检验和金相检验。

图2 炸药布置

图3 爆炸复合后外观

20 ℃ M态下锆/钛/钢爆炸复合板热处理后钛/钢界面的剪切强度为230 MPa，锆/钛界面为250 MPa，达到工艺设计要求(137.9 MPa)。由金相照片(如图4所示)分析，呈现规律的波状界面结合，无明显熔化现象，结合状态优良。

图4 小试板锆/钛/钢金相照片

5) 钽与锆/钛/钢复合板进行爆炸复合

复合前对复合面进行了基复板的光洁度测量，具体数值如表3所示；钽与锆/钛/钢复合板的爆炸(起爆位置在短边中部)复合工艺参数，药高35～65 mm，支撑高度3～10 mm。

6) 性能检验

爆炸复合后，进行UT检验，结果为除雷管区外全部结合良好。然后进行消应力退火处理，热处理前采用抗氧化涂层对锆钛钢复合板表面及侧面进行保护。热处理制度为：箱式电阻炉加热，随炉升温，在540±10℃保温3h，炉冷至≤300 ℃，出炉空冷。试板出炉冷却后进行校平处理，再进行UT检验，结果为除雷管区外全部结合良好。校平进行UT检验后对试板取样进行力学性能检验和金相检验。

复合板热处理后钛/钢界面的剪切强度为205 MPa，锆/钛界面为223 MPa，钽/锆界面为230 MPa，达到工艺设计要求(137.9 MPa)。从金相照片(如图5所示)分析，结合界面呈现规律的波状界面，且无明显的熔化现象，结合状态优良。

图5 小试板钽/锆金相照片

通过小试板爆炸复合试验，并对产生的复合板进行了UT检验、力学性能及金相检验，结果表明小试板工艺检验达到了良好的结果。可以进行大面积钽/锆/钛/钢四层复合板的爆炸复合。

5 大板试制实施

1) 投料规格

取大试板的编号为1-2#。

规格：1.5/3/2/24×2 100×4 600 mm

材质：Ta1/ Zr-3(R60702)/TA1/Q345R

2) 锆/钛/钢双层复合前处理

对基复板的待复合面用砂轮及叶轮进行表面抛光处理。处理后的光洁度控制在2.5 μm以内。

3) 锆/钛/钢双层一次爆炸复合

炸药的选取、布药高度及支撑高度参数同小试板参数。与小试板唯一不同的是采用了几何中心起爆。

4) 锆/钛/钢复合板消应力退火及校平处理

由于小试板热处理后取样所做的力学性能检验结果较好，因此大板的热处理仍然采用小板的热处理方式。具体热处理制度为：箱式电阻炉加热，随炉升温，在500±10 ℃保温3 h，炉冷至≤300 ℃出炉空冷。大板在消应力退火处理后在7辊矫直机上进行校平，校平后复合板的平直度≤3 mm/m。

校平后再次对复板进行UT检验。UT检验的结果为：除雷管区外，全部结合良好。

5) 钽及锆/钛/钢复合板的表面处理

对基复板的待复合面用砂轮及叶轮进行表面抛光处理。处理后的光洁度控制在2.5 μm以内。

6) 钽及锆/钛/钢复合板的爆炸复合

炸药的选取、布药高度及支撑高度参数同小试板参数。与小试板唯一不同的是采用了几何中心起爆。复合过程中的布药位置如图6所示。

图6 钽与锆/钛/钢复合板复合过程中炸药布置

复合后外观如图7所示。

图7 钽与锆/钛/钢复合板复合后照片

7) 后续处理

钽锆钛钢复合板经过热处理、校平、切割、性能检验、表面处理、包装工序交付用户使用。

6 性能检验

1) 复合板力学性能检验结果

复合板在成品切割时取样，取样位置在复合板的短边方向(即宽度放向)，取样后做力学性能检验，结果如表4所示。

表4 1-2#钽/锆/钛/钢复合板力学性能(试验温度/18 ℃)

由表8可以看出，复合板的各项力学性能指标均达到所要求的力学性能指标，剪切强度远超过137.9 MPa，各项性能指标均符合技术要求。

图8 金相照片

2) 复合板结合界面的金相分析

从金相分析，各层结合界面均呈现规律的波状界面，没有明显的熔化，结合状态优良。

7 结论

本试验经过前期的设计、小板试制以及性能检验后，成功的实现了大面积钽/锆/钛/钢复合板的生产，且经过力学性能及结合界面的检验，完全符合试验的预期设计要求。

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(责任编辑 杨继森)

Research and Development of Ta-Zr-Ti-Steel Explosive Clad Plate with Large Area

FAN Keshe, LI Pingcang, WU Jiangtao， WANG Hunian

( Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China)

In this paper, technological parameters of Ta-Zr-Ti-steel clad plate were researched and designed in the explosive cladding production process. Based on the experiment of the test sample, Ta-Zr-Ti-steel clad plate with large area had been researched and developed, and we also evaluated the quality of clad plate. The result shows that it meets the requirements to property of clad plates.

explosive bonding; Ta-Zr-Ti-steel clad plate; mechanical property

10.11809/scbgxb2017.07.031

2017-02-23；

2017-03-20

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2015AA03A501)

樊科社(1974—)，男，陕西渭南人，硕士，高级工程师，主要从事层状金属复合材料研究。

format:FAN Keshe, LI Pingcang, WU Jiangtao，et al.Research and Development of Ta-Zr-Ti-Steel Explosive Clad Plate with Large Area[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):148-151.

TJ04

A

2096-2304(2017)07-0148-04

本文引用格式：樊科社，李平仓，吴江涛，等.爆炸焊接法制备大面积钽/锆/钛/钢四层复合板[J].兵器装备工程学报，2017(7):148-151.