Interfacial bonding properties of titanium foil/steel explosive welding
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摘要: 为减小钛/钢爆炸焊接钛层的使用量，以低爆速乳化炸药作为焊接炸药，食盐作为传压层，成功实现厚度200 μm TA1钛箔与Q235钢的爆炸焊接.通过金相显微镜、扫描电镜和能谱仪对界面微观形貌进行分析，利用万能试验机对复合板试件进行拉伸、弯曲试验检测其结合性能. 结果表明，钛箔/钢界面呈规则的波形，主要以熔化层结合，具有良好的结合质量.靠近界面金属产生强烈的塑性变形，钢侧晶粒呈流线状.波后的旋涡内包含熔化块，未观测到孔洞、裂隙等缺陷.根据Ti和Fe元素原子比例，熔化块成分主要为FeTi，Fe2Ti等金属间化合物.三点弯曲和拉伸试件的界面均未出现分离，复合板材界面具有良好的塑性变形能力和结合性能.拉伸试件断口两侧的钛层与钢层存在大小不一的韧窝，主要呈塑性断裂.Abstract: To reduce titanium/steel explosive welding usage, the explosive welding between 200 μm thick TA1 titanium foil and Q235 steel was realized by using salt as a pressure transfer layer and low detonation velocity as a welding explosive. The microstructures at the interface were analyzed by metallographic microscope, scanning electron microscope and energy dispersive spectroscopy. Tensile and bending tests were carried out by a universal testing machine to test the bonding properties of the clad plate. The results show that the titanium foil/steel interface shows a regular waveform and is mainly bonded by the melting layer, which has good bonding quality. The metal near the interface produces strong plastic deformation, and the steel grains are linear. The vortex of the wave peak contains a melting block, and no holes or cracks are observed. According to the atomic ratio of Ti and Fe elements, the main components of melting block are FeTi and Fe2Ti intermetallic compounds. The bonding interface did not separate when the three-point bending and tensile specimens were destroyed, which indicates that the clad plate has good plastic deformation ability and bonding performance. There are dimples of different sizes in the titanium and steel layers of tensile failure specimens, mainly plastic fractures.
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Keywords:
- explosive welding /
- pressure transfer layer /
- titanium foil /
- microtopography /
- bonding performance
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0. 序言
金属钛在空气或溶液中可以迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，具有良好的耐腐蚀性，被广泛应用到船舶工业、化工设备等领域[1-3].钛/钢复合板兼具钛的耐腐蚀性和钢的强韧性，应用潜力极大[4-6].
爆炸焊接作为一种固-固相连接方法，可获得较好的结合质量，是金属复合材料重要的焊接技术. Ning等人[7]通过爆炸焊接法制备了锆/钛/钢3层复合板，结果表明复合板中的金属锆和钛耐腐蚀性能互补，在恶劣环境下的使用效果有所提升；但是锆板和钛板采用2 mm厚度，造成其稀有金属使用量较大. Saravanan等人[8]研究质量比对钛/钢复合板界面结合性能影响，随着质量比的增加，界面由平直状结合变为波状结合.显微硬度也相应的增大，靠近界面的金属显微硬度最大.复合板在腐蚀环境中具有优良的耐腐蚀性能. Chu等人[9]采用显微结构分析和纳米压痕试验进行钛/钢界面微观形貌分析，研究发现界面存在Fe2Ti和FeTi等金属间化合物. Zhao等人[10]通过冷喷增材和热轧复合制备钛/钢复合板，并对轧制状态下的复合板进行不同退火温度的处理，研究表明退火可以促进界面元素的相互扩散，改善了钛/钢复合板的结合质量.研究人员通过改变焊接参数和退火处理等改善钛/钢复合板界面结合性能，取得良好的焊接质量，但是采用的钛层较厚.
为降低稀有金属材料使用量，Yang等人[11]通过改进传统爆炸焊接技术，在炸药与复层钽箔之间增加铝板，利用铝板保护钽箔成功与钢板爆炸焊接.Daisuke等人[12]为获得铝薄板和镁合金的爆炸复合材料，在薄板表面添加凝胶层作为传压介质，实现了铝/镁合金的爆炸焊接.通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射和电子探针对结合界面进行表征，研究使用凝胶层作为传压介质对碰撞能量的降低效果.但是所用传压介质存在不能重复使用，成本较高等问题.
钛/钢复合板主要通过爆炸焊接实现，爆炸载荷作用下钛层厚度不宜过薄，通常在2 mm以上[8-10].然而钛涂层厚度达到0.4 μm可以起到耐腐蚀效果[13].为减少钛/钢复合板稀有金属钛的使用量，以Q235钢和TA1钛箔分别作为基/复层，低爆速乳化炸药作为焊接炸药，食盐作为炸药与箔板之间的传压介质，进行钛箔/钢爆炸焊接研究. 通过食盐作为传压层实现200 μm钛箔与钢的爆炸焊接. 采用0.2 mm厚度的钛箔代替钛板，解决复合板材料成本较高的问题.
1. 试验方法
TA1钛箔和Q235结构钢分别作为复层和基层，尺寸为200 mm × 100 mm × (0.2 + 15) mm，其化学成分如表1所示.
表 1 TA1钛和Q235钢的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical composition of TA1 titanium and Q235 steel材料 C N H O Ti Mn Si S P Ti Fe TAl ≤0.08 ≤0.03 ≤0.015 ≤0.18 — — — — — 余量 ≤0.2 Q235 ≤0.22 — — — — ≤1.4 ≤0.35 ≤0.045 ≤0.045 — 余量 以乳化基质(表2)为基体，空心玻璃微球作为敏化剂和稀释剂，制备微球含量20%的低爆速乳化炸药，炸药密度685 kg/m3，爆炸速度3 148 m/s.采用铝蜂窝板作为炸药药框，将乳化炸药填充蜂窝板孔隙制备厚12 mm的蜂窝结构炸药.铝蜂窝板具有较好的抗压性，可以保证各处炸药厚度均匀.复板表面放置一层厚5 mm的食盐作为传压层，食盐晶体在高温作用下发生气化，保护钛箔避免高温灼伤与降低冲击载荷破坏[14].
表 2 乳化基质组分(质量分数, %)Table 2. Components of emulsion matrixNH4NO3 NaNO3 H2O C18H38 C24H44O6 71 11.5 11 3.7 2.8 将钛箔和钢板焊接面打磨抛光，依次装配好后放置在爆炸罐体上. 爆炸焊接装置采用平行安装结构，如图1所示. 采用LEICA DM4 M型金相显微镜、FlexSEM 1000型扫描电镜对爆炸焊接后钛/钢复合板进行微观形貌观察. 沿平行于爆轰波方向切割钛/钢复合板试样，经过打磨、抛光后采用Keller试剂（3 mL HF + 6 mL HNO3 + 91 mL H2O）进行腐蚀. 为探究钛/钢复合板的力学性能，按照GB/T 6396—2002《金属材料室温拉伸试验方法》和NB/T 47002—2009《压力容器用爆炸焊接复合板》分别加工拉伸和弯曲试件进行拉伸和三点弯曲试验，表征钛/钢复合材料拉伸破坏时界面的结合强度和承受弯曲载荷时的塑性变形能力. 弯曲和拉伸试验时，试件厚度均为2 mm，其中钛层200 μm，钢层1.8 mm.
2. 结果与讨论
2.1 微观形貌分析
为研究钛/钢复合板结合界面形貌，在金相显微镜下进行微观形貌观察. 图2为TA1/Q235复合板界面金相组织，界面呈波形. TA1/Q235复合板主要以熔化层的方式结合，可以观察到一层黑色的熔化层，靠近界面钢侧晶粒呈流线型.金属熔化扩散有利于复合板界面结合，然而过度的熔化会使界面恶化.爆炸焊接时，在极短的时间内高速碰撞使得界面金属熔化和钢侧晶粒产生强烈的塑性变形，从而出现流变现象，钢侧晶粒呈现流线状[15]. 高速碰撞时，界面空气未被完全排出，在绝热压缩热和塑性变形热共同作用下使得界面金属产生熔化，界面两侧金属彼此扩散，最终形成一层黑色的熔化层. 涡旋内存在Ti的金属颗粒，部分破碎颗粒在运动过程中被卷入涡旋内部，最后形成被基材包覆熔化块[16].
为进一步研究界面波后处熔化层及旋涡内熔化块组分，采用扫描电镜和Quantax 70型能谱仪对其进行组分分析. TA1/Q235复合板的微观形貌和面扫描图像如图3所示.
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图 3 TA1/Q235界面扫描电镜图Figure 3. SEM images of TA1/Q235 interface. (a) SEM image of TA1/Q235; (b) point scanning position of TA1/Q235; (c) map scanning position of TA1/Q235; (d) area A图3a为TA1/Q235复合板结合界面形貌，界面波平均波长100 μm、振幅30 μm，未发现孔洞、裂隙等缺陷，表明TA1/Q235复合板界面具有良好的结合质量. TA1/Q235复合板钛层平均厚度170 μm，低于其200 μm的原始厚度.由于部分基/复板碰撞剩余能量作用于金属材料，产生TA1/Q235复合板厚度上的残余变形[15]. 从图3b可以看出，TA1/Q235复合板结合面存在较深色熔化层和旋涡内存在熔化块.对图3b中1 ~ 6点进行点扫描分析熔化层组分，结果如表3所示.由1 ~ 3点的点扫描元素分析可知，熔化层主要为Ti元素，存在少量的Fe元素.钛/钢爆炸焊接时，在绝热压缩热和塑性变形热作用下产生高温，使得界面金属产生熔化[17]. 此时的Ti与Fe元素相互扩散形成熔化层，界面未排出的O元素与Ti，Fe元素可能生成金属氧化物.熔化金属在极短的时间内冷却，元素扩散并不明显.对旋涡内熔化块的4 ~ 6点进行点扫描，该处主要成分为Ti，Fe和O元素，其中Fe元素含量比波后处的熔化层要多.根据Ti和Fe原子比例，熔化块内主要为FeTi，Fe2Ti等金属间化合物，可能存在少量的金属钛和铁的氧化物[18].
表 3 EDS点扫描分析结果(原子分数，%)Table 3. Results of EDS point scanning analysis位置 Fe Ti O 1 0.62 94.48 4.90 2 1.46 97.12 1.42 3 0.65 99.10 0.24 4 59.63 34.65 5.72 5 49.67 47.19 3.14 6 49.41 40.05 10.53 从图3c可以观察到钢侧组织发生旋转，包裹住中间的块状金属颗粒形成旋涡，反映了波状界面形成过程中旋转运动的特征[12].对旋涡处进行放大(图3d)，发现结合面波峰旋转连接到钢侧，包裹熔化块颗粒，与金相观察结果一致. 界面金属在爆炸焊接碰撞过程中，界面材料处于高温、高压状态，此时金属呈准流体行为.
2.2 力学性能检测
两组三点弯曲试样的试验条件如表4所示. 图4为弯曲后的试样实物图. 由表4和图4可知，试样弯曲120°时，内弯和外弯试件界面均未发现分离或局部裂纹现象，界面保持完好，表明钛箔/钢爆炸复合板具有良好的冷加工弯曲性能.
表 4 弯曲试样条件与结果Table 4. Bending experimental conditions and results试验 长度L/mm 宽度d/mm 弯曲角α/(°) 结果 内弯 120 40 120 无分离 外弯 120 40 120 无分离 TA1/Q235复合板内部结合面可能存在微观缺陷，在外部载荷作用下，这些缺陷可以作为裂纹源沿焊接方向发展. 图5为TA1/Q235复合板试件拉伸破坏后实物图.TA1/Q235复合板试样拉伸破坏后结合面未发生分离，表面未观察到裂纹，界面结合质量良好.图6为TA1/Q235复合板界面断口扫描电镜图. 从图6可以发现，拉伸断口呈明显的塑性变形，钛层和钢层断口表面均存在大小不一的韧窝，相较于钛侧韧窝，拉伸断口钢侧韧窝尺寸小且浅.界面金属材料高速碰撞后，结合面处产生高温熔化和快速冷却，该过程虽然一定程度上修复了材料的韧性，但无法消除材料本身可能存在的显微孔洞.材料的显微孔洞在塑性变形下经过形核、长大和聚集，在相互连接后导致材料韧性断裂.
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图 6 TA1/Q235界面断口扫描电镜图Figure 6. SEM images of TA1/Q235 interface fracture. (a) tensile fracture of TA1/Q235; (b) fracture of TA1 Ti side; (c) fracture of Q235 steel side3. 结论
(1) TA1/Q235复合板的结合面呈规则的波形，界面波形平均波长100 μm、振幅30 μm，未观测到孔洞、裂隙等缺陷，具有良好的焊接质量.
(2) TA1/Q235复合板界面主要以熔化层的方式结合，熔化层主要组分为Ti，包含少量的Fe元素，界面波后涡旋内含有熔化块，根据原子比例可知其内主要为FeTi，Fe2Ti等金属间化合物.
(3) TA1/Q235复合板的内、外弯试件均未出现分层，复合板具有良好的冷加工弯曲性能；钛层与钢层拉伸断口存在大小不一的韧窝，拉伸试件断面主要为韧性断裂.
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图 3 TA1/Q235界面扫描电镜图
Figure 3. SEM images of TA1/Q235 interface. (a) SEM image of TA1/Q235; (b) point scanning position of TA1/Q235; (c) map scanning position of TA1/Q235; (d) area A
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图 6 TA1/Q235界面断口扫描电镜图
Figure 6. SEM images of TA1/Q235 interface fracture. (a) tensile fracture of TA1/Q235; (b) fracture of TA1 Ti side; (c) fracture of Q235 steel side
表 1 TA1钛和Q235钢的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of TA1 titanium and Q235 steel
材料 C N H O Ti Mn Si S P Ti Fe TAl ≤0.08 ≤0.03 ≤0.015 ≤0.18 — — — — — 余量 ≤0.2 Q235 ≤0.22 — — — — ≤1.4 ≤0.35 ≤0.045 ≤0.045 — 余量 
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表 2 乳化基质组分(质量分数, %)
Table 2 Components of emulsion matrix
NH4NO3 NaNO3 H2O C18H38 C24H44O6 71 11.5 11 3.7 2.8
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表 3 EDS点扫描分析结果(原子分数，%)
Table 3 Results of EDS point scanning analysis
位置 Fe Ti O 1 0.62 94.48 4.90 2 1.46 97.12 1.42 3 0.65 99.10 0.24 4 59.63 34.65 5.72 5 49.67 47.19 3.14 6 49.41 40.05 10.53
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表 4 弯曲试样条件与结果
Table 4 Bending experimental conditions and results
试验 长度L/mm 宽度d/mm 弯曲角α/(°) 结果 内弯 120 40 120 无分离 外弯 120 40 120 无分离
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