利用爆炸焊接+熱軋工藝制備鈦－鋼復(fù)合板的生產(chǎn)工藝較為成熟，制備的復(fù)合板兼具鈦材的高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性及鋼材的高強(qiáng)度、良好的塑性和易焊性，成本低，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品生命周期長，已成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于石油、化工、船舶和電力等行業(yè)［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(fù)合板，通常采用爆炸焊接+熱軋工藝。鈦－鋼復(fù)合板的結(jié)合質(zhì)量是保證工程結(jié)構(gòu)能夠安全服役的關(guān)鍵，原料和生產(chǎn)過程控制不當(dāng)，將顯著降低鈦－鋼復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度。本研究以爆炸焊接+熱軋工藝制備的鈦－鋼復(fù)合板為研究對象，分析由于鈦板表面質(zhì)量造成的復(fù)合界面缺陷，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，保證鈦－鋼復(fù)合板的性能滿足相關(guān)要求。
1、試驗材料與方法
采用爆炸焊接+熱軋工藝生產(chǎn)鈦－鋼復(fù)合板，復(fù)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(fù)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(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法》進(jìn)行測試;使用OLYMPUSGX71金相顯微鏡進(jìn)行金相分析，采用Hanemann顯微硬度計進(jìn)行硬度測試，采用氫氟酸(5ml)+硝酸(12ml)+水(83ml)溶液進(jìn)行鈦組織蝕刻。
2、結(jié)果與討論
2.1復(fù)合板力學(xué)性能對比
復(fù)合板的理論抗拉強(qiáng)度為Ｒm=(t1·Ｒm1+t2·Ｒm2)/(t1+t2) (1)
其中，Rm為復(fù)合板強(qiáng)度下限標(biāo)準(zhǔn)值，Rm1和t1是基材強(qiáng)度下限標(biāo)準(zhǔn)值和厚度，Rm2和t2是復(fù)材強(qiáng)度下限標(biāo)準(zhǔn)值和厚度。
經(jīng)超聲波探傷，復(fù)合板內(nèi)部區(qū)域結(jié)合良好，沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，周邊局部未復(fù)合區(qū)在20～100mm之間，屬于爆炸焊接過程邊界效應(yīng)區(qū)。
對軋制后的復(fù)合板進(jìn)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(fù)合板正常區(qū)域和異常區(qū)域鈦板的性能，不同區(qū)域的強(qiáng)度均高于理論強(qiáng)度;內(nèi)部正常區(qū)域的剪切強(qiáng)度高于196MPa，強(qiáng)度波動較小，說明復(fù)合板各區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度較均勻;而邊部有幾組剪切強(qiáng)度不均勻，部分?jǐn)?shù)據(jù)低于140MPa，不滿足GB/T8547—2006中其他類復(fù)合板要求［4］，后續(xù)加工時，復(fù)合板出現(xiàn)分層的可能性較大。
2.2爆炸焊接+熱軋鈦－鋼復(fù)合板缺陷
采用爆炸焊接+熱軋工藝制備TA1/Q235B鈦－鋼復(fù)合板，鈦板頭尾和邊部區(qū)域出現(xiàn)分層、碎邊與皺褶等缺陷，見圖2。對于爆炸焊接鈦－鋼復(fù)合板，邊界效應(yīng)普遍存在，會顯著降低復(fù)合板結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度和復(fù)合率［5］，而除了邊界效應(yīng)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(fù)合板性能影響
為了分析復(fù)合板產(chǎn)生分層和碎邊等缺陷的原因，重點對鈦板的組織和性能進(jìn)行分析。
圖3所示是TA1/Q235B復(fù)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(fù)合板一側(cè)有明顯的裂紋、孔洞、夾雜物和不均勻變形區(qū)域等。鈦板中的這些缺陷接近表面區(qū)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(chǎn)生缺陷遺傳，造成鈦板表面夾雜、富氧層和疏松等缺陷，進(jìn)而在軋制中發(fā)生壓入和擴(kuò)展。
圖4所示是復(fù)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(qū)域局部最大厚度超過300μm，與基體連接較緊密的較亮區(qū)域局部最大厚度超過200μm，主要為氧化層。爆炸焊接復(fù)合用鈦板需要進(jìn)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(qū)域的硬度測試結(jié)果。分層的白亮區(qū)硬度最高，未分層的較亮區(qū)域硬度也較高，過渡區(qū)域硬度次之，正常區(qū)域硬度最低。分析確認(rèn)，表面硬度偏硬區(qū)域為氧化層，接近表面區(qū)域為富氧層，硬度也高于正常區(qū)域的。
圖5是復(fù)合用鈦板表面的局部微裂紋和分層缺陷，在后續(xù)的爆炸焊接中，這些缺陷會進(jìn)一步引起分層和結(jié)合不牢等缺陷。
2.4熱壓對鈦板表面的影響
鈦板屈服強(qiáng)度越大，爆炸焊接過程中鈦板應(yīng)變強(qiáng)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(qiáng)度可使之處于較低的水平，在爆炸焊接時形成穩(wěn)定、連續(xù)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(qiáng)度會下降10MPa左右。鑒于此，爆炸焊接前，鈦板應(yīng)在厚鋼板壓制下進(jìn)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(yīng)設(shè)計適宜的退火溫度以降低鈦板的屈服強(qiáng)度，避免產(chǎn)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(qū)域是鈦板疊壓貼合造成的結(jié)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(kuò)散也更顯著。
鈦在高溫下與氧、氮等元素劇烈反應(yīng)，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(qū)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(qū)域比中間區(qū)域的氧化更明顯，存在不均勻現(xiàn)象，溫度越高氧化層越致密、越厚，需反復(fù)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(fā)生較深的壓入和擴(kuò)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(fù)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(jié)論
(1)利用爆炸焊接+熱軋工藝制備的TA1/Q235B復(fù)合板，出現(xiàn)了碎邊、分層和皺褶分層等缺陷，這與爆炸焊接后復(fù)合板邊部局部區(qū)域剪切強(qiáng)度低于140MPa、結(jié)合不牢固有關(guān)。
(2)鈦－鋼復(fù)合板軋制后鈦側(cè)出現(xiàn)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(guān)系密切。為消除氧化層殘留，需要選用優(yōu)質(zhì)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(jìn)行拋光，去除表面氧化吸氣層，以減少復(fù)合時的結(jié)合不良問題。
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