利用爆炸焊接+热(re)轧(ya)工(gong)艺制(zhi)备钛－钢(gang)复(fu)合(he)板(ban)的生(sheng)产(chan)工(gong)艺(yi)较(jiao)为(wei)成熟，制(zhi)备的复合板(ban)兼具钛材(cai)的高(gao)比强(qiang)度(du)、优(you)良(liang)的耐蚀性及(ji)钢(gang)材(cai)的高强(qiang)度、良好的(de)塑(su)性和易焊性(xing)，成(cheng)本(ben)低(di)，生产(chan)效率高(gao)，产品(pin)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)长，已成为现(xian)代(dai)工业(ye)不(bu)可缺少(shao)的(de)结构材料(liao)，广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)于石油(you)、化(hua)工(gong)、船(chuan)舶和电力等行业(ye)［1－3］。
钛(tai)－钢(gang)爆(bao)炸焊接具(ju)有(you)一定(ding)难(nan)度(du)和特殊(shu)性(xing)，为(wei)获(huo)得(de)大(da)面(mian)积钛－钢复合(he)板(ban)，通常(chang)采用(yong)爆炸(zha)焊接(jie)+热(re)轧工艺。钛(tai)－钢(gang)复合(he)板(ban)的(de)结合(he)质量(liang)是(shi)保证工程(cheng)结(jie)构(gou)能够安全(quan)服役(yi)的关(guan)键(jian)，原料和(he)生(sheng)产(chan)过程(cheng)控制(zhi)不(bu)当(dang)，将显(xian)著降低钛－钢复合板(ban)的结(jie)合强(qiang)度。本研(yan)究(jiu)以爆(bao)炸(zha)焊接+热(re)轧(ya)工艺(yi)制备(bei)的(de)钛(tai)－钢复合板为(wei)研究(jiu)对象(xiang)，分(fen)析(xi)由(you)于(yu)钛板表面质量造(zao)成的(de)复(fu)合(he)界(jie)面缺(que)陷，进而(er)优(you)化生产工(gong)艺(yi)，保(bao)证钛－钢复(fu)合板的性能(neng)满足(zu)相(xiang)关(guan)要(yao)求。
1、试(shi)验材料(liao)与(yu)方法
采用(yong)爆炸焊接(jie)+热轧工(gong)艺生(sheng)产(chan)钛－钢复(fu)合板(ban)，复(fu)层(ceng)和基(ji)体分别为6mm TA1钛板(ban)和(he)30mm Q235B钢(gang)板，其(qi)性能(neng)见(jian)表1。采用(yong)线切割截(jie)取试(shi)样，测(ce)试钛(tai)－钢复合板性(xing)能(neng):拉(la)伸(shen)和剪(jian)切(qie)试(shi)验分别按照(zhao)GB/T 228.1—2010《金(jin)属材(cai)料拉伸试验第(di)1部分:室温拉伸(shen)方法》和(he)GB/T 6396－2008《复合(he)钢板力学及工艺性(xing)能(neng)试(shi)验方(fang)法》进行测(ce)试(shi);使(shi)用(yong)OLYMPUSGX71金(jin)相显(xian)微(wei)镜进(jin)行(xing)金(jin)相分(fen)析，采(cai)用Hanemann显(xian)微(wei)硬度计进(jin)行(xing)硬度测(ce)试(shi)，采(cai)用(yong)氢氟酸(5ml)+硝酸(suan)(12ml)+水(shui)(83ml)溶(rong)液(ye)进行(xing)钛组(zu)织(zhi)蚀(shi)刻(ke)。
2、结果与讨(tao)论(lun)
2.1复合(he)板(ban)力学(xue)性能(neng)对(dui)比(bi)
复(fu)合(he)板的(de)理论抗拉(la)强(qiang)度(du)为Ｒm=(t1·Ｒm1+t2·Ｒm2)/(t1+t2) (1)
其中(zhong)，Rm为(wei)复(fu)合(he)板强度(du)下(xia)限(xian)标(biao)准值，Rm1和(he)t1是基(ji)材强度(du)下限标准(zhun)值(zhi)和厚(hou)度，Rm2和t2是复材(cai)强度下(xia)限(xian)标(biao)准(zhun)值(zhi)和(he)厚(hou)度。
经(jing)超(chao)声(sheng)波(bo)探(tan)伤(shang)，复合板(ban)内(nei)部区(qu)域(yu)结合良好(hao)，没(mei)有发(fa)现(xian)超标缺(que)陷(xian)，周边局(ju)部未(wei)复合(he)区在(zai)20～100mm之(zhi)间，属于爆炸焊(han)接过(guo)程边界效应(ying)区。
对轧(ya)制(zhi)后(hou)的(de)复合(he)板(ban)进行(xing)550℃×1.5h退火，退(tui)火后取(qu)样(yang)测试，取(qu)样(yang)位(wei)置见图1。表(biao)2所(suo)示是(shi)复合(he)板正常(chang)区域和异常(chang)区域(yu)钛板的性能，不同(tong)区域的强(qiang)度(du)均高于(yu)理论(lun)强度(du);内部(bu)正常区域(yu)的(de)剪切(qie)强(qiang)度高于(yu)196MPa，强(qiang)度波动较小，说(shuo)明复合板各区域(yu)结(jie)合(he)强度较均(jun)匀;而(er)边部(bu)有(you)几组剪(jian)切(qie)强(qiang)度(du)不(bu)均(jun)匀，部(bu)分(fen)数据低于(yu)140MPa，不满足(zu)GB/T8547—2006中(zhong)其他类(lei)复(fu)合板(ban)要(yao)求(qiu)［4］，后续(xu)加(jia)工时(shi)，复(fu)合(he)板(ban)出现分层(ceng)的可能性(xing)较大(da)。
2.2爆(bao)炸焊接(jie)+热(re)轧钛(tai)－钢(gang)复(fu)合(he)板缺(que)陷(xian)
采用(yong)爆(bao)炸焊接+热(re)轧(ya)工艺(yi)制(zhi)备(bei)TA1/Q235B钛(tai)－钢复(fu)合(he)板，钛(tai)板头(tou)尾(wei)和边部(bu)区(qu)域出(chu)现分层、碎(sui)边(bian)与(yu)皱(zhou)褶(zhe)等(deng)缺陷(xian)，见图(tu)2。对于爆炸(zha)焊接钛(tai)－钢复(fu)合(he)板(ban)，边界(jie)效(xiao)应(ying)普(pu)遍存在(zai)，会显著(zhu)降低复合(he)板结合(he)面的结合强(qiang)度和(he)复合率［5］，而(er)除了(le)边界效应(ying)造(zao)成的(de)缺陷(xian)外，分(fen)层(ceng)和(he)碎(sui)边缺(que)陷(xian)会(hui)影响(xiang)成(cheng)品率。
2.3钛(tai)板表(biao)面缺陷(xian)对(dui)复(fu)合板性(xing)能(neng)影(ying)响
为(wei)了(le)分(fen)析复(fu)合板(ban)产(chan)生(sheng)分层和碎(sui)边(bian)等(deng)缺(que)陷(xian)的原(yuan)因，重点(dian)对(dui)钛(tai)板(ban)的(de)组(zu)织(zhi)和(he)性(xing)能进(jin)行分(fen)析(xi)。
图(tu)3所示(shi)是(shi)TA1/Q235B复(fu)合(he)板爆炸(zha)焊(han)接+热(re)轧后(hou)，缺(que)陷(xian)附近(jin)位(wei)置(zhi)的(de)界(jie)面(mian)微(wei)观形貌(mao)。可(ke)以(yi)看到(dao)，在(zai)钛(tai)复(fu)合(he)板一(yi)侧有(you)明显(xian)的裂纹(wen)、孔洞、夹杂(za)物和不均(jun)匀(yun)变形(xing)区(qu)域(yu)等(deng)。钛板(ban)中(zhong)的(de)这(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)接(jie)近(jin)表(biao)面(mian)区域(yu)，可能(neng)是(shi)由(you)于(yu)原(yuan)材料(liao)板(ban)坯或(huo)半成品缺陷(xian)修(xiu)磨(mo)去(qu)除(chu)不(bu)干(gan)净(jing)，产(chan)生(sheng)缺陷(xian)遗(yi)传，造(zao)成(cheng)钛(tai)板(ban)表(biao)面夹杂、富氧(yang)层和疏松(song)等(deng)缺陷，进(jin)而在轧制中发(fa)生压(ya)入(ru)和(he)扩(kuo)展。
图4所(suo)示是(shi)复合(he)板(ban)热(re)轧后钛(tai)板的(de)局部表(biao)面缺(que)陷，存在与基体(ti)分层的(de)白(bai)亮缺(que)陷(xian)、与基体(ti)连接(jie)紧(jin)密(mi)的较亮缺陷。分层的(de)白亮(liang)区(qu)域局(ju)部最大厚(hou)度超(chao)过300μm，与基体(ti)连接较(jiao)紧(jin)密(mi)的较(jiao)亮(liang)区域(yu)局(ju)部(bu)最(zui)大厚度超(chao)过(guo)200μm，主(zhu)要(yao)为氧化层。爆炸焊(han)接复合用(yong)钛(tai)板(ban)需要进(jin)行(xing)退火+喷砂(sha)+酸(suan)洗(xi)+抛(pao)光(guang)，减薄(bao)量(liang)一般(ban)在(zai)200μm左右(you)，因(yin)此，钛板表(biao)面缺(que)陷(xian)过厚时(shi)，成(cheng)品中存(cun)在氧化(hua)层残留(liu)。
表3所示(shi)是(shi)图(tu)4中(zhong)不同区(qu)域(yu)的(de)硬(ying)度测试(shi)结果(guo)。分(fen)层的白(bai)亮区(qu)硬(ying)度最高(gao)，未分(fen)层(ceng)的(de)较(jiao)亮(liang)区(qu)域硬(ying)度(du)也较高，过(guo)渡区(qu)域(yu)硬度(du)次(ci)之，正(zheng)常(chang)区(qu)域硬度最低。分析(xi)确(que)认，表(biao)面硬(ying)度(du)偏(pian)硬区(qu)域(yu)为(wei)氧化层，接近(jin)表面(mian)区(qu)域为富(fu)氧(yang)层(ceng)，硬(ying)度(du)也(ye)高于(yu)正(zheng)常(chang)区(qu)域(yu)的(de)。
图(tu)5是复合(he)用钛(tai)板(ban)表面(mian)的(de)局(ju)部微(wei)裂(lie)纹和(he)分层缺(que)陷(xian)，在(zai)后续的(de)爆炸(zha)焊接(jie)中，这(zhe)些缺陷会(hui)进一(yi)步引起(qi)分层(ceng)和(he)结合(he)不牢(lao)等(deng)缺(que)陷。
2.4热压(ya)对(dui)钛板(ban)表(biao)面(mian)的(de)影(ying)响(xiang)
钛(tai)板屈(qu)服强(qiang)度越大，爆炸焊接过(guo)程(cheng)中(zhong)钛(tai)板(ban)应变强化(hua)越(yue)明(ming)显(xian)，塑(su)性变形能力减(jian)弱，易(yi)形(xing)成(cheng)褶(zhe)皱(zhou)性(xing)缺陷。通过控(kong)制原材(cai)料钛(tai)板(ban)的屈服(fu)强度(du)可(ke)使之处(chu)于(yu)较(jiao)低的(de)水平，在(zai)爆炸(zha)焊接时(shi)形成稳(wen)定、连续(xu)的(de)塑性变(bian)形［6］。
退(tui)火时温(wen)度在600℃以上时(shi)，每(mei)提高(gao)50℃，纯(chun)钛(tai)的(de)屈服强(qiang)度会(hui)下降10MPa左(zuo)右(you)。鉴于(yu)此(ci)，爆(bao)炸焊接前，钛板应在(zai)厚钢板(ban)压制下(xia)进(jin)行(xing)长时间(jian)热压(ya)校(xiao)形(xing)，以获(huo)得(de)良(liang)好(hao)的性(xing)能(neng)和(he)板(ban)形。但热压(ya)温度增(zeng)高会增加钛板表(biao)面的(de)氧(yang)化层厚度，因(yin)此(ci)，应(ying)设(she)计适(shi)宜的(de)退火(huo)温(wen)度以降(jiang)低钛(tai)板的(de)屈服强度，避免产(chan)生过厚(hou)(大(da)于200μm)的(de)氧化(hua)层(ceng)。
图6所(suo)示(shi)是(shi)650℃和(he)750℃热(re)压(ya)后(hou)钛板的表面(mian)形(xing)貌，中间的灰(hui)黑色(se)区域是(shi)钛(tai)板(ban)叠(die)压(ya)贴(tie)合(he)造(zao)成(cheng)的(de)结(jie)果，边部氧化(hua)剧烈，温度(du)高时钛(tai)板软(ruan)化(hua)造成贴合(he)更(geng)紧(jin)密，氧化和高温(wen)扩散(san)也更显(xian)著(zhu)。
钛在(zai)高温下(xia)与(yu)氧(yang)、氮等元素(su)剧烈反(fan)应，表(biao)面形成较厚(hou)的吸气层，硬度升高、塑(su)性(xing)降(jiang)低(di)。图(tu)7是(shi)钛板(ban)边(bian)部(bu)区(qu)域(yu)在(zai)650℃和(he)750℃热(re)压后(hou)表面情况(kuang)，检(jian)测吸(xi)气层(ceng)厚度(du)分别为(wei)50～100μm和(he)80～150μm。钛(tai)板(ban)热(re)压后边(bian)部(bu)区域比中间区域(yu)的(de)氧(yang)化(hua)更明(ming)显(xian)，存在不(bu)均(jun)匀(yun)现象(xiang)，温(wen)度越(yue)高氧化层越致(zhi)密(mi)、越厚，需(xu)反复多(duo)次(ci)喷砂(sha)酸(suan)洗(xi)清除氧化(hua)层，可能(neng)造成(cheng)板形不(bu)良(liang)及(ji)加(jia)工(gong)硬(ying)化，不(bu)利于爆(bao)炸焊接。
2.5分(fen)析与(yu)讨(tao)论
爆(bao)炸焊接用钛板热压(ya)后(hou)表面(mian)氧(yang)化层(ceng)可(ke)以(yi)通(tong)过(guo)喷砂、酸洗等工(gong)序(xu)正(zheng)常(chang)去(qu)除(chu)，但由(you)于原料、熔炼和(he)钛材(cai)轧(ya)制加工中一(yi)些不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)的因素，钛(tai)材(cai)表面的夹(jia)杂(za)、富(fu)氧层(ceng)和(he)疏(shu)松(song)等缺(que)陷(xian)在轧(ya)制中(zhong)发(fa)生较(jiao)深(shen)的(de)压(ya)入(ru)和扩(kuo)展，造(zao)成钛(tai)板局部(bu)残(can)留氧(yang)化层等(deng)缺陷。热(re)压(ya)钛(tai)板温(wen)度(du)越高(gao)，氧(yang)化层(ceng)越(yue)致密、越厚(hou)，反复多(duo)次喷(pen)砂、酸(suan)洗(xi)可(ke)能造(zao)成(cheng)板(ban)形(xing)不(bu)良及加(jia)工硬化(hua)，不利(li)于爆炸焊(han)接(jie)。
3、结论(lun)
(1)利用(yong)爆炸(zha)焊接+热(re)轧工艺(yi)制(zhi)备的(de)TA1/Q235B复(fu)合(he)板(ban)，出现了(le)碎边(bian)、分(fen)层和皱(zhou)褶(zhe)分层等缺陷，这(zhe)与爆炸(zha)焊(han)接后复(fu)合(he)板(ban)边(bian)部局部区域(yu)剪切(qie)强度(du)低于140MPa、结合(he)不牢(lao)固(gu)有(you)关(guan)。
(2)钛(tai)－钢(gang)复合板(ban)轧制后钛侧(ce)出(chu)现的碎边(bian)、分层(ceng)和(he)皱褶(zhe)等缺陷(xian)，与钛(tai)板(ban)的(de)板(ban)形(xing)不(bu)良(liang)和表面的(de)氧(yang)化吸(xi)气(qi)层厚(hou)度较(jiao)大(da)关(guan)系密(mi)切。为(wei)消(xiao)除氧(yang)化(hua)层(ceng)残(can)留，需要(yao)选(xuan)用(yong)优质钛锭(ding)，板(ban)坯和半成(cheng)品表面缺(que)陷修磨要彻底(di);选(xuan)用(yong)适宜的(de)热压(ya)温(wen)度(du)，爆炸(zha)焊接(jie)前对钛板(ban)进行(xing)抛(pao)光，去(qu)除表面(mian)氧(yang)化(hua)吸气(qi)层，以(yi)减少(shao)复合时的结合(he)不良问题(ti)。
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