钛钢复合板界面组织研究

李 斌，徐 鹏，赵 峰，朱 磊，庞国庆，吴江涛，樊科社

（西安天力复合金属材料股份有限公司，陕西 西安 710200）

0 引言

钛因为其优秀的耐腐蚀性，被大量用作化学反应容器、热交换器材料。在化工、电力、锅炉、海洋领域都有广泛的应用[1-3]。但是钛的加工性能较差，尤其是作为结构支撑部件时加工成本很高。随着目前科学技术的发展，需要向低成本高性能的方向发展，单纯的钛金属显然不满足使用需求。在此条件下，钛钢复合板作为一种新型复合材料，既有普通钢板作为结构支撑部件的强度，又有钛的耐蚀性，最重要的是成本得到了大幅度的降低，被广泛应用于各大领域[4-7]。

目前钛钢复合板的制备方法是爆炸复合法[8-10]。此方法由于制得的成品性能较好，且成本较低，因此得到了广泛的应用。通过此方法制得复合板的时间已经超过了60 年，前人通过改变炸药的种类已经能够很好地控制复合质量。国内外的学者们也对复合板的组织和性能进行了广泛的研究。但是目前都集中在界面两端的金属变化过程，但是在爆炸过程中金属界面间发生的反应过程研究较少。本文以此方向为主，通过合适的爆炸工艺得到钛-钢复合板，对界面组织进行分析，研究界面的爆炸过程中发生的变化。

1 实验仪器

实验采用的材料为钛板和钢板。牌号为TA1 和Q345R。对应的厚度为3 mm + 20 mm。复合后UT 探伤合格后进行试验。

为了制备钛钢复合板，本实验采用爆炸复合方法，通过选用特定的炸药和复合工艺制备复合板。制备完成后，将复合板通过锯床和线切割加工成为1mm + 2 mm × 20 mm × 50 mm 的样品，将此样品通过2000#砂纸打磨抛光。对上述处理完成的试样，使用Helios PFIB 电镜对界面结构进行观察，找到特征组织后进行标定，采用U-Cut 方法进行取样并准备后续TEM 测试。取样位置见图1。使用德国Bruker D8 Advance XRD 设备对膜层进行物相分析，使用JEMF200 透射电镜对界面进行微观组织观察。

图1 界面取样位置（a 图为b 图画线处局部放大）

2 结果与分析

2.1 结合界面处微观分析

钛钢复合板的TEM 截面形貌如图2（a）所示。从图中可以看出，膜层与基体之间有较为明显的分布界面，界面在明场下大概有1 μm 的厚度，界面间分布着衬度各异的不规则相。界面面扫EDS 图谱见图2（c，d）。从图中可以发现界面右下侧为Fe 相，界面左上侧为Ti 相，界面过渡区域有部分Fe 和Ti 组成的金属间化合物，通过EDS 点扫结果发现其Fe 和Ti 的比例近似为3∶1，如图2（g）所示。除此之外，在明场下看到界面靠近Fe 基体侧有部分的白色块状相，如图2（b）所示，此相形貌近似梯形，分布在界面过渡层区域，相内部无明显孪晶存在，其相界周围有部分位错存在。其内部和相界处的HRTEM 如图2（e，f）所示。根据FFT 变换可以得知此相为Fe 相，通过测量可以得知此相内部的晶面间距为0.144 nm，对应Fe 的（2，0，0）晶面，相界处的晶面间距为0.117 nm，对应Fe 的（2，1，1）晶面。从低晶带轴看，此相相界处周围有较多的位错堆积。位错密度的增加可以在一定程度上增加此复合板的力学性能。

图2 钛钢界面TEM 图谱及EDS 结果

图3（a）是界面处Fe 晶粒与界面组织的明场像。从图中可以看到铁相拥有较大的晶粒，界面区域的相能看到明显被拉长，且相界周围有一定程度的位错存在。发生这种现象的原因可能是因为在爆炸过程中较大的冲击波使得此处的晶粒产生了较大程度的塑性变形，晶粒中的位错在运动的过程中发生聚集和互相缠结，形成了位错胞，由于其能量较大，因此会移动到相界周围。从明场条件下还能看到晶界界面附近的原子粒径有减小的迹象。晶粒细化可以一定程度上强化该复合材料的力学性能。通过对此相进行SAED 分析，发现界面处以Fe 相为主，SAED 图谱中的第二套斑点大部分与Fe 重合，但是仔细看能看到有第二套斑点近似重合于Fe 的斑点上。这说明界面区域除Fe之外还伴随有极少量的金属间化合物。靠近界面处的铁原子的晶面间距变大，这说明界面附近的原子稳定性变差，在外界热的作用下原子优先趋近于在此位置处形核。

图3 Fe 与界面TEM 形貌及SAED 分析

图4（a）是钛和界面区域的明场像，从图中可以看到较为明显的分布界面，钛侧组织在靠近界面处被拉长，并且在部分钛的晶粒内部还伴随有位错的产生。界面区域的相具有明显的衬度差异，且能明显看到的分层现象。靠近界面处的组织以Ti 为主，从FFT图像中还能看到部分第二套斑点，说明在界面处存在着部分金属间化合物。图4（b）是界面位置处的HRTEM 图谱。从图中可以看到明显的分界线。图4（c）是钛的SAED 图谱，能明显看到其六方晶面特征。图4（d）是界面区域的SAED 图谱，能看到其同时拥有六方和立方的晶型。

图4 复合涂层的HRTEM 及IFFT 分析

从上述明场像和SAED 中可以发现，不论是在铁-界面区域，还是钛-界面区域，都从SAED 图谱中发现了少量的金属间化合物的存在。金属间化合物的存在在虽然一定程度上影响了复合板的力学性能，但是从另外一个角度来看，客观上是有利于爆炸焊接的。首先，该金属间化合物存在的位置位于铁侧区域，靠近相邻铁原子的晶界附近，其大小为纳米级尺度，与基体之间的接触面积并不是很大。其次，在该区域形成的金属间化合物是在力和热的共同影响下通过原子扩散形成的，形成新的金属间化合物说明在该区域达到了形成原子扩散的必要条件，同时该条件也是保证爆炸复合材料强度的关键参数。进一步来看，能否测出金属间化合物的含量、分布和组成形态是一个值得研究的问题。图5 是靠近界面处Fe 基体区域中的面扫EDS 结果，从图中可以看到在Fe 基体中存在有些许Ti 的金属间化合物，其形貌以长针状和近似球状存在。EDS 点扫结果发现该相是Fe-Ti 的金属间化合物，其原子比例大约为1∶10。

图5 Fe-Ti 金属间化合物的SEM 图谱及EDS 结果

为了进一步讨论金属间化合物的形貌与分布，特对界面处的明场像进行了探究。图6 是界面内部某区域的组织明场像，从图中可以看到界面处组织种类较多，且能够看到明显的相界，其周围有密度较大的位错缠结。远离界面处的晶粒内部位错密度较小。通过对该区域进行SAED 进行分析，得到图6（b）。从图中可以明显看到，该区域除了Fe 的一套完整斑点之外，还有一套金属间化合物的斑点。现对金属间化合物的斑点进行分析，得到其分布的暗场像，见图6（c）。从图中可以看到该相以圆球状为主，广泛分布于晶粒内部，且通过衬度可以发现越亮的位置说明其成分越纯，靠近相界处的组织衬度较小，说明在此区域由于生长驱动力的不足，还未变成稳定的金属间相。通过上述暗场像的形貌，根据XRD 图谱分析暗场下稳定的金属间化合物可能是FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相。

图6 金属间化合物的明暗场像

2.2 钛钢复合板的XRD 物相组成分析

图7 是钛钢复合板的截面XRD 图谱。通过XRD分析可知：该区域主要由Fe、Ti、FeTi 和Fe0.975Ti0.025组成。以Fe 和Ti 为主，FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相作为金属间化合物相出现。在爆炸过程中，基复板在高温高压的作用下，界面处会发生部分熔化和原子扩散的现象。根据菲克定律可知，爆炸过程中基复层金属的浓度差很大，在原子扩散过程中提供了较大的驱动力。除此之外，在爆炸过程中极强的外力作用下能够将界面附近的原子错位，导致原子间额相互扩散。最终形成某些金属间化合物，导致影响复合板的性能。

3 结论

综上分析，得出以下结论：

（1）由钛钢复合板界面的XRD 分析图谱可知，界面两端主要由Ti，Fe 组成，界面处主要含有FeTi 和Fe0.975Ti0.025 相。对复合界面进行TEM 观察可以发现Ti 与Fe 基体之间有约1 μm 厚的金属间化合物过渡层，两种基体金属与界面的SAED 图谱都显示在界面处存在金属间化合物，且靠近界面区域的晶粒形状发生了明显的变化。

（2）通过对界面处组织的SAED 分析发现界面处存在金属间化合物的衍射斑，套住该衍射斑成功得到其暗场像，观察发现金属间化合物近似成球状，分布于晶粒内部，通过对比XRD 衍射峰和参考金属间化合物结合能考虑其为FeTi 相。