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度、優(yōu)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(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(jié)果與討論
2.1復(fù)合板力學(xué)性能對比
復(fù)合板的理論抗拉強度為Rm=(t1·Rm1+t2·Rm2)/(t1+t2) (1)
其中,Rm為復(fù)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(fù)材強度下限標準值和厚度。
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)域的強度均高于理論強度;內(nèi)部正常區(qū)域的剪切強度高于196MPa,強度波動較小,說明復(fù)合板各區(qū)域結(jié)合強度較均勻;而邊部有幾組剪切強度不均勻,部分數(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,進而在軋制中發(fā)生壓入和擴展。
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,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
鈦板屈服強度越大,爆炸焊接過程中鈦板應(yīng)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(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。
參考文獻:
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