利用爆炸焊接+熱軋工藝制備鈦－鋼復合板的生產工藝較為成熟，制備的復合板兼具鈦材的高比強度、優良的耐蝕性及鋼材的高強度、良好的塑性和易焊性，成本低，生產效率高，產品生命周期長，已成為現代工業不可缺少的結構材料，廣泛應用于石油、化工、船舶和電力等行業［1－3］。
鈦－鋼爆炸焊接具有一定難度和特殊性，為獲得大面積鈦－鋼復合板，通常采用爆炸焊接+熱軋工藝。鈦－鋼復合板的結合質量是保證工程結構能夠安全服役的關鍵，原料和生產過程控制不當，將顯著降低鈦－鋼復合板的結合強度。本研究以爆炸焊接+熱軋工藝制備的鈦－鋼復合板為研究對象，分析由于鈦板表面質量造成的復合界面缺陷，進而優化生產工藝，保證鈦－鋼復合板的性能滿足相關要求。
1、試驗材料與方法
采用爆炸焊接+熱軋工藝生產鈦－鋼復合板，復層和基體分別為6mm TA1鈦板和30mm Q235B鋼板，其性能見表1。采用線切割截取試樣，測試鈦－鋼復合板性能:拉伸和剪切試驗分別按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫拉伸方法》和GB/T 6396－2008《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》進行測試;使用OLYMPUSGX71金相顯微鏡進行金相分析，采用Hanemann顯微硬度計進行硬度測試，采用氫氟酸(5ml)+硝酸(12ml)+水(83ml)溶液進行鈦組織蝕刻。
2、結果與討論
2.1復合板力學性能對比
復合板的理論抗拉強度為Ｒm=(t1·Ｒm1+t2·Ｒm2)/(t1+t2) (1)
其中，Rm為復合板強度下限標準值，Rm1和t1是基材強度下限標準值和厚度，Rm2和t2是復材強度下限標準值和厚度。
經超聲波探傷，復合板內部區域結合良好，沒有發現超標缺陷，周邊局部未復合區在20～100mm之間，屬于爆炸焊接過程邊界效應區。
對軋制后的復合板進行550℃×1.5h退火，退火后取樣測試，取樣位置見圖1。表2所示是復合板正常區域和異常區域鈦板的性能，不同區域的強度均高于理論強度;內部正常區域的剪切強度高于196MPa，強度波動較小，說明復合板各區域結合強度較均勻;而邊部有幾組剪切強度不均勻，部分數據低于140MPa，不滿足GB/T8547—2006中其他類復合板要求［4］，后續加工時，復合板出現分層的可能性較大。
2.2爆炸焊接+熱軋鈦－鋼復合板缺陷
采用爆炸焊接+熱軋工藝制備TA1/Q235B鈦－鋼復合板，鈦板頭尾和邊部區域出現分層、碎邊與皺褶等缺陷，見圖2。對于爆炸焊接鈦－鋼復合板，邊界效應普遍存在，會顯著降低復合板結合面的結合強度和復合率［5］，而除了邊界效應造成的缺陷外，分層和碎邊缺陷會影響成品率。
2.3鈦板表面缺陷對復合板性能影響
為了分析復合板產生分層和碎邊等缺陷的原因，重點對鈦板的組織和性能進行分析。
圖3所示是TA1/Q235B復合板爆炸焊接+熱軋后，缺陷附近位置的界面微觀形貌。可以看到，在鈦復合板一側有明顯的裂紋、孔洞、夾雜物和不均勻變形區域等。鈦板中的這些缺陷接近表面區域，可能是由于原材料板坯或半成品缺陷修磨去除不干凈，產生缺陷遺傳，造成鈦板表面夾雜、富氧層和疏松等缺陷，進而在軋制中發生壓入和擴展。
圖4所示是復合板熱軋后鈦板的局部表面缺陷，存在與基體分層的白亮缺陷、與基體連接緊密的較亮缺陷。分層的白亮區域局部最大厚度超過300μm，與基體連接較緊密的較亮區域局部最大厚度超過200μm，主要為氧化層。爆炸焊接復合用鈦板需要進行退火+噴砂+酸洗+拋光，減薄量一般在200μm左右，因此，鈦板表面缺陷過厚時，成品中存在氧化層殘留。
表3所示是圖4中不同區域的硬度測試結果。分層的白亮區硬度最高，未分層的較亮區域硬度也較高，過渡區域硬度次之，正常區域硬度最低。分析確認，表面硬度偏硬區域為氧化層，接近表面區域為富氧層，硬度也高于正常區域的。
圖5是復合用鈦板表面的局部微裂紋和分層缺陷，在后續的爆炸焊接中，這些缺陷會進一步引起分層和結合不牢等缺陷。
2.4熱壓對鈦板表面的影響
鈦板屈服強度越大，爆炸焊接過程中鈦板應變強化越明顯，塑性變形能力減弱，易形成褶皺性缺陷。通過控制原材料鈦板的屈服強度可使之處于較低的水平，在爆炸焊接時形成穩定、連續的塑性變形［6］。
退火時溫度在600℃以上時，每提高50℃，純鈦的屈服強度會下降10MPa左右。鑒于此，爆炸焊接前，鈦板應在厚鋼板壓制下進行長時間熱壓校形，以獲得良好的性能和板形。但熱壓溫度增高會增加鈦板表面的氧化層厚度，因此，應設計適宜的退火溫度以降低鈦板的屈服強度，避免產生過厚(大于200μm)的氧化層。
圖6所示是650℃和750℃熱壓后鈦板的表面形貌，中間的灰黑色區域是鈦板疊壓貼合造成的結果，邊部氧化劇烈，溫度高時鈦板軟化造成貼合更緊密，氧化和高溫擴散也更顯著。
鈦在高溫下與氧、氮等元素劇烈反應，表面形成較厚的吸氣層，硬度升高、塑性降低。圖7是鈦板邊部區域在650℃和750℃熱壓后表面情況，檢測吸氣層厚度分別為50～100μm和80～150μm。鈦板熱壓后邊部區域比中間區域的氧化更明顯，存在不均勻現象，溫度越高氧化層越致密、越厚，需反復多次噴砂酸洗清除氧化層，可能造成板形不良及加工硬化，不利于爆炸焊接。
2.5分析與討論
爆炸焊接用鈦板熱壓后表面氧化層可以通過噴砂、酸洗等工序正常去除，但由于原料、熔煉和鈦材軋制加工中一些不可避免的因素，鈦材表面的夾雜、富氧層和疏松等缺陷在軋制中發生較深的壓入和擴展，造成鈦板局部殘留氧化層等缺陷。熱壓鈦板溫度越高，氧化層越致密、越厚，反復多次噴砂、酸洗可能造成板形不良及加工硬化，不利于爆炸焊接。
3、結論
(1)利用爆炸焊接+熱軋工藝制備的TA1/Q235B復合板，出現了碎邊、分層和皺褶分層等缺陷，這與爆炸焊接后復合板邊部局部區域剪切強度低于140MPa、結合不牢固有關。
(2)鈦－鋼復合板軋制后鈦側出現的碎邊、分層和皺褶等缺陷，與鈦板的板形不良和表面的氧化吸氣層厚度較大關系密切。為消除氧化層殘留，需要選用優質鈦錠，板坯和半成品表面缺陷修磨要徹底;選用適宜的熱壓溫度，爆炸焊接前對鈦板進行拋光，去除表面氧化吸氣層，以減少復合時的結合不良問題。
參考文獻:
［1］宋磊，鄒見賓，李松元，等.鈦/鋼爆炸復合板邊界效應的產生與預防［J］.有色金屬工程，2015，5(2):1－3.
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［3］辛寶，岳宗洪，鄧光平，等.鈦－鋼復合板熱軋工藝研究［J］.材料開發與應用，2016，31(6):75－79.
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［5］王飛，劉廣初，王連來.減小爆炸焊接邊界效應影響研究［J］.工程爆破，2005，11(2):6－9.
［6］辛寶，劉金濤，崔衛超，等.鈦的屈服強度對大面積鈦－鋼復合板結合性能的影響［J］.材料開發與應用，2015，30(6):10－14.
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