TA2/TC4钛合金层状复合板爆炸焊接-轧制制备及其界面微观结构表征与力学性能评价

前言

随着现代工业的不断发展，对材料性能的要求不断提高，单一金属材料已无法满足工业发展的需求。其中，金属复合板作为一种新型的功能材料，通过异质材料的层状复合设计，金属复合板整合了每种组成金属的优点，实现了单一金属无法达到的综合性能[1]。

目前，关于异种金属复合板的制备技术主要有爆炸焊接[2]、轧制[3]、扩散焊接[4]、爆炸焊接+轧制复合[5]等技术。为扩大和调节复合板的尺寸，通常采用爆炸焊接+轧制的复合方法制备复合板[6]。爆炸焊接+轧制制备复合板的工艺方法，主要是采用爆炸焊接制备大厚度的复合材料板坯，基于热处理工艺及冷/热轧制方法，获得不同厚度尺寸异种金属之间复合的材料，尤其在大面积较薄复合板材生产制造上更有优势。LUO等[7]采用纯铌作为中间过渡层，通过真空850-1000℃不同温度热轧制技术制备了高结合质量的钛/不锈钢复合材料，基于微结构及力学性能的表征分析，温度越高界面有脆性金属间化合物生成不利于界面结合强度的提升。刘元铭等[8]针对普通平轧制备复合板存在的结合强度低、轧后弯曲严重等难题，采用波平轧工艺制备Mg/Al复合板，并对其进行力学性能测试。研究表明，波纹轧变形区内交替出现多个前滑区与后滑区，形成多个搓轧区，进而提高界面的结合强度。王敬忠等[9]采用爆炸焊接的方式将DT4夹层与钛板结合，然后按照对称方式组坯，制备得到钛钢复合板;研究表明，复合板的结合强度取决于轧制温度和轧后退火温度，当温度过高时界面有金属间化合物生成，不利于界面结合强度的提升。吕琪[10]基于爆炸焊接+轧制的方法制备TA1/2A12复合板，对复合板在爆炸焊接、热轧、冷轧以及热处理状态的组织特征,以及复合板的界面硬度和拉伸、剥离、剪切等力学性能进行深入的研究分析。

钛合金由于其低密度、高比强度和优越的耐腐蚀性等优点，广泛应用于航空航天、生物医药、武器装备、石油化工等领域。钛合金是一种轻质高强性能的材料，可以作为有效的轻质防护材料。随着科技的发展，军事和航空航天等领域对防护材料的综合性能提出了更高的要求[12-14]。纯钛(TA2)具有较好的塑性，但强度相对较低;TC4钛合金强度比较高，但韧性比较低。为了实现强度与塑性最佳协同效果，把高塑性金属材料和高强度的金属材料进行复合，从而综合了材料的高韧性和高强度性能，有效利用了二种材料的优良性能。研究表明，界面的结合情况对复合材料力学性能有着至关重要的影响。

因此，为了实现高强度TC4钛合金和高韧性TA2钛合金有效的复合，进而发挥钛合金的高强和高韧性能优势，本文基于爆炸焊接+轧制工艺开展了TA2/TC4钛合金复合材料的制备，通过金相、SEM、EBSD等先进的微结构表征技术手段对结合面微观组织结构进行表征分析，通过万能材料实验机对TA2/TC4钛合金复合材料整体拉伸性能、结合面处拉伸剪切性能以及材料整体弯曲性能进行检测分析，并对失效试样进行分析，揭示了TA2/TC4钛合金复合材料结合面微结构的演化机理以及变形失效机理。本文对钛合金复合板材结合面力学性能及其微观组织结构系统的研究，为可控厚度钛合金复合装甲的设计提供了重要的指导意义。

1、验材料与方法

1.1试验材料

在爆炸焊接试验中选用300mmx600mmx 5mm的商业纯钛板TA2作为爆炸焊接飞板，300mmx600mmx10mm商业钛合金板TC4作为爆炸焊接的基板，材料的化学成分及其室温条件下的力学性能参数，如表1和表2所示。

表1材料的化学成分(wt.%)

表2材料的力学性能

1.2爆炸焊接+轧制制备工艺

爆炸焊接之前首先对TA2和TC4板材的表面，采用砂纸进行抛光处理,去除表面的氧化层。然后采用无水酒精对板材的表面进行清洗,去除板材表面的油污;之后采用无尘布擦拭干净,确保爆炸焊接之前板材的表面是清洁的。

基于爆炸焊接原理,在本研究中采用平行放置的方式制备 TA2/TC4爆炸焊接层状复合板,板材采用平行的布置方式，炸药为工业用硝铵炸药，其爆炸焊接过程示意图,如图 1所示。

采用平行法制备爆炸焊接复合板的过程中，飞板与基板的碰撞速度及碰撞角可通过下列式(1)和式(2)进行计算得到  [15]。

式中,碰撞速度  V p 和冲击速度  V c 之间的数学关系,其中  β为碰撞角,可以通过式(2)计算求得  [16]

式中,  t e 为爆炸焊接试验中炸药的厚度; k为系数,取值在 1.81～2.6; r为单位面积炸药与覆板质量比;s为爆炸焊接间隙  [17]。

为了实现不同金属材料的爆炸焊接,研究人员建立了一个爆炸焊接窗口用来预测不同金属材料的焊接参数  [18−20],其中碰撞角  β与碰撞速度  V c 之间的关系,如图 2所示。

在图 2中的右边界表示爆炸焊接过程中在焊接界面处形成射流的边界条件。 WALSH等  [21]指出在爆炸焊接过程中,飞板的碰撞速度应比材料中的声速要小才能实现有效的焊接。于是, ABR AHAMSEN等  [22]建立了一个关于碰撞速度  V c 与碰撞角的函数关系式,如式(3)所示。

在图 2中的下边界是指爆炸焊接过程中,焊接界面是否形成波纹界面的下限,因此, DERIBAS等  [20]提出了爆炸焊接下限的计算公式,如式(4)所示

式中,  H V 和  ρ分别表示飞板的维氏硬度和密度; K为焊接表面清洁系数,清洁表面取 0.6,不清洁表面取 1.2。

在图 2中的左边界表示波纹状焊接界面和直线型焊接界面的过渡边界,备用来调控焊接界面的波纹形状。随着科学技术的发展研究人员发现,焊接界面的形状不仅和碰撞速  V c 有关,还与碰撞角  β有关  [23]。因此, WITTMAN等  [24]提出了一个直线型和波纹状焊接界面过渡的动态塑性准则,如下所示

在图 2中的上边界表示爆炸焊接过程中,在焊接界面没有熔化层形成的最大碰撞速度。其中，DERIBAS等  [20]给出了计算上边界的计算公式

式中, E和 v分别表示弹性模量和泊松比, h是飞板的厚度。

此外,基于上述的研究, BAHRANI等  [25]还给出了,在爆炸焊接的过程中,碰撞角  β下限为  2 ∘ ∼ 3 ∘,上限为  31 ∘。如果在爆炸焊接的过程中超出了碰撞角上下限,将无法实现有效的焊接。撞角的上下限,将无法实现有效的焊接。

结合表 2中的材料参数以及图 2中的焊接窗口计算得出本试验中 TA2/TC4的爆炸焊接参数为,间隙选择 10 mm,炸药的厚度选择 30 mm,炸药爆速为2600m/s。

另外，采用热轧的工艺方法对TA2/TC4爆炸焊接复合板沿爆炸焊接的方向进行轧制处理。轧制之前首先把TA2/TC4爆炸焊接复合板放置在马弗炉中进行450℃条件下的热处理，保温30min，进行40%的轧制压下量,最终得到厚度为 9mm的TA2/TC4爆炸焊接+轧制复合板,其中TA2层的厚度为2mm,TC4层的厚度为 7 mm,轧制复合的复合板材放置空中冷却，爆炸焊接+轧制制备过程示意图，如图3所示。

1.3微结构表征

沿爆炸焊接+轧制的方向，在沿TA2/TC4复合板结合界面平行爆炸焊接+轧制方向处取金相试样a(侧面),和垂直爆炸焊接+轧制方向处取金相试样b(正面),取样尺寸  10mm ×  10mm ×  5mm,取样方式如图 4所示,在轧制的过程中, RD表示轧制方向(即X轴),即工件运动的方向; TD表示横向,与 RD轧制方向垂直的方向(即 Y轴); ND表示与轧制面垂直的法向(即 Z轴),即是在轧制的过程中与轧辊直接接触的那个面方向。对制备得到的金相试样,采用200~3000目数的砂纸进行抛光处理,精抛光采用丝绒布进行抛光,抛光液选用三氧化二铁和三氧化铬悬浮液,抛光至镜面状态后采用腐蚀剂对金相表面进行金相腐蚀,选用的腐蚀剂配比为 4 mL氢氟酸+1 mL硝酸+15 mL水,对腐蚀后的结合面,采用 LEICA DMI3000M型号的光学显微镜(Optical microscopy， OM)进行金相观察。

对研磨抛光之后的试样,采用 Twin Jet进行电解抛光;然后基于 ZEISS Gemini SEM 300扫描电子显微镜,分别采用背散射电子成像(Back scattered electron, BSE)和二次电子成像(Secondary electron,SE)开展焊接界面的微观组织结构的观察分析。在FEI Quanta650 FEG SEM设备上,开展焊接界面EBSD检测分析。

1.4力学性能测试

为了获得爆炸焊接+轧制 TA2/TC4复合材料的整体拉伸基本力学性能参数,选用 INSTRON 5960型万能材料试验机在室温下开展 TA2/TC4复合材料整体的拉伸性能,根据标准 GB/T 228.1-2010确定拉伸试样尺寸,准静态拉伸试样设计,如图 5所示。试样的加工沿 TA2/TC4复合材料爆炸焊接及轧制的方向切取拉伸试样。试验加载应变率为10⁻³s⁻¹。根据复合材料拉伸前、后的数据,计算出复合材料的整体延伸率、断面收缩率及抗拉强度,计算公式如下所示

抗拉强度

延伸率

断面收缩率

式中,  F m 为复合材料断裂失效时承受的最大力, N,  S 0 为原始复合材料额横截面面积,  mm2, Lu为复合材料断后标距部分的长度, mm,  L0为复合材料原始标距部分的长度(50mm),  Su为断后最小横截面的面积 /mm2。

选用 INSTRON 5960型万能材料试验机来开展TA2/TC4复合材料结合界面的剪切性能试验,根据标准 GB/T 6396-2008确定剪切试样尺寸, TA2/TC4复合材料的剪切试样示意图,如图 6所示。试样的加工沿 TA2/TC4复合材料爆炸焊接及轧制的方向切取剪切试样。试验加载应变率为10⁻³s⁻¹,根据下列公式计算 TA2/TC4复合材料结合界面的剪切强度:

式中,  τ为结合界面的抗剪强度, MPa, F为结合界面受到的最大受剪力, N, S为受剪切界面的面积,  mm 2, a为受剪切界面的长度, mm, b为受剪切界面的宽度, mm。

选用 INSTRON 5960型万能材料试验机来开展TA2/TC4复合材料的弯曲试验研究,沿爆炸焊接及轧制方向切取弯曲试样,弯曲实验试样根据标准GB/ T2322010确定试样尺寸 9 mm9 mm90 mm,如图 7所示。弯曲试验定义 TA2钛层在外层, TC 4层在内的弯曲试验。采用三点弯曲的试验方法开展试验研究,其中加载速度为 5mm/ min。根据下式计算TA2/TC4复合板的弯曲强度

式中，F为弯曲试验中最大弯曲载荷，N，L为支辊之间的距离，b为弯曲试样的宽度(9mm)，h为弯曲试样的厚度(9mm)。

2、结果与分析

2.1微结构表征分析

采用 LEICA DMI3000M型号的光学显微镜对爆炸焊接制备的 TA2/TC4复合板界面的微观组织结构形貌表征分析。从图 8 a中可以看到,爆炸焊接之后焊接界面呈现波纹状的形貌特征。BATAEV等  [2]研究指出爆炸焊接界面波纹状界面的形成是由于在结合区域碰撞点的自激振荡导致应力不均匀的分布的结果。形成了尺寸不一的小波纹状焊接界面,波纹界面的波幅 320μm,波长 850μm。这说明在爆轰波增长的过程中,由于爆轰波压力不均匀的变化过程导致焊接界面不规律波形界面的形成。波纹状的焊接界面是由于在爆炸焊接过程中,炸药爆轰产生的能量驱动覆板,使其以一定的速度撞击基板在界面处产生一个高温高压,以及二个板子之间产生较大的内在塑性流动、摩擦和剪切的作用  [26−27]。此外,在爆炸焊接过程中波纹状界面的形成还可以被解释为二个复合板在界面碰撞点处的自激振荡导致

的压力波动[28]。采用爆炸焊接来制造复合板时，应力波在界面处的高速冲击会产生由峰值和谷值组成的周期性波形图案。这一现象也促进了复合板界面处的机械连接的形成[29]，有利于提高界面的剪切性能。图8b呈现了爆炸焊接+轧制后结合面的微结构形貌特征，与图8a中爆炸焊接后结合面处的波纹状的焊接界面的波峰相比较，图8b中波纹状结合面的波峰明显降低。这是因为轧制后基体材料在结合面处发生了大变形导致的。此外，爆炸焊接+轧制后TA2/TC4复合材料结合面处没有发生开裂，结合面处没有开裂、金属间化合物及其孔洞等缺陷形成，结合面结合良好。研究表明，结合面处没有金属间化合物及其空洞等缺陷的形成有利于结合面力学性能的提升[30]。

基于SEM对结合面附近的微结构形貌进行表征分析，从图9a中可以看到，TA2/TC4复合材料的结合界面呈现不平直的直线形貌，结合面处没有明显的空洞、金属间化合物等缺陷形成，结合面结合良好。此外，在图9a中，TC4一侧由于BSE的效果，局部黑色的区域主要是片状的α相，因为TC4钛合金的基体显微组织主要由α相和β相两种钛的晶体结构组成。其中，a相主要呈现密排六方结构(hcp),其具有较高的强度和硬度;β相主要呈现体心立方结构(bcc)，具有较好的塑性和延展性  [31]。在图9a中局部的放大图见图9b所示，从图中可以看到在结合面处的晶粒呈现拉长的形貌特征，说明在爆炸焊接的过程中，由于爆轰波的作用，在界面处基体之间在高应变率的作用下发生了摩擦剪切及较大塑性流动的作用，导致焊接界面处基体发生了较大的塑性变形，于是变形剪切带在结合面处形成[32]。

为了进一步研究结合界面处的微观组织结构，分别在爆炸焊接+轧制制备得到的TA2/TC4复合板的侧面a区域及正面b区域(图4),进行EBSD的观察分析。图10呈现了TA2/TC4复合板在侧面区域结合界面处的微观组织结构图，从图中的TA2侧和TC4一侧可以观察到基体材料的晶粒沿着轧制和焊接的方向呈现拉长的趋势，晶粒呈现柱状和棒状的形状。在TA2一侧的晶粒主要沿着001、010和120方向，而在TC4一侧的晶粒主要沿着001、010和120方向以及001、101和111方向32。在结合界面处晶粒尺寸呈现严重的不均匀性，界面处不存在轧制前焊接界面明显的波峰波谷形貌，呈现近似平直的一个结合面形貌。结合面处的晶粒明显呈现拉长的状态，同时在结合面附近可以观察到超细晶存在[33]。此外，在基体中可以观察到一个小晶粒周围被大晶粒包围的形貌特征，可以推断发生了再结晶。说明在爆炸焊接的过程中发生了动态回复或再结晶，形成了许多超细等轴晶粒[34]。CHU等[35]指出在界面处极快的温度升高和随后的高冷却速率是导致变形-恢复-再结晶的原因。MCQUEEN焊接界面附近的变形结构中可能发生动态恢复或再结晶。因为在爆炸焊接的过程中，由于飞板与基板的高速碰撞，结合界面处会产生高温高压，BATAEV等[2]报道，焊接界面的加热速率甚至可以达到10 K/s。正是这种高温高压的作用使得结合面处呈现近似冶金的结合特征，有利于结合面力学性能的提升。

为了更清楚的认知爆炸焊接+轧制焊接界面的微观组织结构，对垂直于爆炸焊接及轧制方向上的微观组织结构开展了研究分析，如图11所示。从图中可以看到在TA2基体中局部存在黑色的区域没有解析出来，是因为存在内应力的影响  [32]。再结合面处也能观察到超细晶的存在，界面附近的晶粒呈现拉长的形貌，不存在爆炸焊接后界面的漩涡区域。由于轧制变形的原因，结合面呈现近似的平直状态。在TC4一侧同样可以观察到动态恢复或再结晶特征，但是整体的晶粒形貌呈现柱状或棒状的特征[37]。在垂直于爆炸焊接及轧制方向上的微观组织结构可以看出，侧面方向的基体晶粒明显呈现拉长的特征7。此外，在TA2一侧可以看到局部区域没有完全的解析出来，这是因为轧制的过程中TA2一侧发生了大变形及内应力的影响  [32]。

2.2 TA2/TC4复合材料的力学行为

为了获得TA2/TC4复合材料整体的拉伸力学性能参数，开展了TA2/TC4复合材料整体的拉伸力学性能试验研究。图12呈现了TA2/TC4复合材料整体拉伸的工程应力-应变曲线，从图12中可以看到在拉伸的过程中，TA2/TC4复合材料呈现一个弹性变形、塑性变形及最终的失效。此外，TA2/TC4复合材料整体的拉伸强度在780~801MPa，呈现一个较好的一致性。图13呈现了TA2/TC4复合材料整体拉伸后试样失效的宏观形貌图，从拉伸失效形貌图中可以看到，拉伸时试样先从TC4一侧沿45°方向发生断裂失效，然后在TA2一侧发生颈缩后发生断裂失效，因此可以判定相对于TC4一侧来说TA2一侧呈现了较好的塑性。

为了研究TA2/TC4复合材料结合面处的剪切力学性能，开展了界面处的拉伸剪切力学性能试验研究，其应力-应变曲线，如图14所示。从图14中可以看到拉伸剪切的应力-应变曲线呈现三个阶段，分别是弹性变形阶段、塑性变形阶段及其最后的断裂失效。TA2/TC4复合材料结合面处的剪切强度在134 MPa~185 MPa，呈现离散的状态，因为不同位置处结合面处的微观组织结构存在一定的差异，从结合面的微结构分析中可以知道，爆炸焊接界面处的微结构呈现波纹状的形貌特征，通过轧制后结合面的波纹形貌呈现不规则的特征。正是由于结合面处不规则的形貌特征，导致结合面处的剪切力学性能呈现离散的状态。

图15呈现了TA2/TC4复合材料结合面处拉伸剪切宏观失效形貌图，从图中可以看到界面处的拉伸剪切失效主要发生在结合界面附近处。

为了获得TA2/TC4复合材料的弯曲性能试验参数，垂直爆炸焊接及轧制方向，开展材料的弯曲性能试验。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。弯曲试件的尺寸为(2+7)mmx9mmx90mm。其中爆炸焊接+轧制制备TA2/TC4复合材料的弯曲试验的载荷-位移曲线，如图16所示。从图16中可以看到三点弯曲的力-位移曲线呈现三个阶段，分别是弹性变形阶段、塑性变形阶段及其最后的屈服阶段。通过图16中的试验结果可以知道,TA2/TC4复合材料的弯曲强度在230~380 MPa，说明TA2/TC4复合材料具有较好的弯曲强度。

图 17呈现了 TA2/TC4复合材料的弯曲失效的宏观形貌图,从图 17a中可以看到在侧面位置处TA2侧没有发生开裂，而是发生了较大的塑性变形，在图17b中也能观察到TA2发生了较大的塑性变形而没有发生开裂的现象。在图17a的弯曲失效试样的内侧可以看到TC4在侧面发生开裂，但是在结合面处没有发生开裂,说明爆炸焊接+轧制制备的TA2/TC4复合材料在界面结合处具有较好的弯曲性能。

3、结论

(1)本文使用爆炸焊接+轧制工艺技术制备得到TA2/TC4复合材料。结果表明，采用爆炸焊接+轧制的制备技术，可以实现高强度TC4钛合金和高塑性的TA2钛合金的有效结合，有望制备得到高强高韧性的钛合金复合材料。

(2)通过对爆炸焊接+轧制工艺技术制备得到TA2/TC4复合材料结合面的微结构表征分析，爆炸焊接后焊接界面呈现波纹状的结合界面，通过450℃的热处理，30min保温及40%的轧制压下量处理后界面呈现近似平直的结合界面;界面附近晶体呈现柱状或棒状特性，局部有动态回复及再结晶的特征。

(3)通过对爆炸焊接+轧制工艺技术制备的TA2/TC4复合材料整体拉伸、结合面拉伸剪切及三点弯曲试验研究表明，TA2/TC4复合材料整体的拉伸强度在780~801MPa，弯曲强度在1142.58~1267.19 MPa，呈现一个较好的一致性。由于不同位置处结合面的微结构存在一定的差异，结合面处剪切强度在134MPa~185MPa，呈现离散的状态。

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（注，原文标题：爆炸焊接+轧制制备TA2_TC4钛合金复合材料界面微结构及力学行为研究_周强）

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