钛过渡层对铝/钢爆炸复合板界面特性与力学性能的影响

张文鼎，李慧中, 2, 3，梁霄鹏, 2, 3，曾智恒

钛过渡层对铝/钢爆炸复合板界面特性与力学性能的影响

张文鼎1，李慧中1, 2, 3，梁霄鹏1, 2, 3，曾智恒4

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；2. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；3. 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083；4. 湖南方恒新材料技术股份有限公司，长沙 410083)

采用爆炸复合工艺制备具有Ti过渡层的Al/钢复合材料，得到Al/Ti/钢(1060/TA1/Q235B)三层爆炸复合板，对该复合板进行界面特性表征与力学性能测试。结果表明：Al/Ti/钢复合板中的Al/Ti界面为正弦波形，Ti/钢界面为锯齿形，界面结合良好。Al/Ti界面和Ti/钢界面间均形成漩涡状熔融区，未出现脆性金属间化合物区域。Al元素和Fe元素在钛层的热扩散层厚度分别为3 μm和3.2 μm，相较于Al/钢界面的热扩散层厚度分别提高76.5%和77.8%。Ti过渡层的加入使Al/钢复合材料的界面拉脱强度由149.88 MPa提高至178.22 MPa，界面剪切强度由75.20 MPa提高至Al/Ti界面的95.55 MPa和Ti/钢界面的332.65 MPa。

爆炸复合；过渡层技术；Al/钢；Al/Ti/钢；力学性能

爆炸焊接作为一种新型加工技术[1]，通过炸药爆炸产生的能量加速上层板材(复板)运动，使其以高速斜角度状态撞击下层板材(基板)，复板和基板间产生剧烈的局部塑性变形，在高温、高压和塑性变形的共同作用下，两金属界面间产生局部熔融和扩散，从而实现冶金结合。与传统焊接工艺如熔化焊[2]，摩擦焊[3]和扩散焊[4]等相比，爆炸焊接能实现大多数异种金属的高强度复合。铝及铝合金密度小，塑性好，比强度高，耐蚀性能强，并具有良好的导电导热性能；钢的强度高，延展性好，具有较好的加工性能。通过爆炸焊接制备的Al/钢复合材料兼备Al和钢的金属特性，已广泛应用于航天、海洋、造船和化工等领域[5-8]。铝/钢的爆炸焊接技术研究已有近60年的历史，但截至目前，Al/钢爆炸复合板在性能要求极高的领域仍然无法得到有效利用。由于Al和钢的理化性质差别极大，Al/钢爆炸复合板的界面存在与熔化焊相似的脆性中间层[9]。中间过渡层技术作为爆炸焊接复合材料的改进技术之一，近年来受到广泛关注。王建民等[10]制备的具有1060过渡层的5083/Q235爆炸焊接复合板，界面结合强度在75 MPa以上；张婷婷等[11]在TA2/ AZ31B爆炸焊接复合板中加入5083过渡层，避免了未熔合和过熔的焊接缺陷。

金属Ti作为过渡层在爆炸焊接技术中鲜有报道。Ti的延展性好，比强度和比刚度高，耐热、耐腐蚀性能优异，但相对较高的价格限制其广泛应用。据韩建超等[12]介绍，Al/Ti爆炸复合板界面难以形成脆性金属间化合物，能保证Al/Ti复合板的结合强度。LI等[13]研究表明Ti/钢爆炸复合板在具备Ti及Ti合金的高强度与耐蚀性能的同时，又具备钢板作为结构件的强度和塑性，因而具有较好的综合性能。本文作者在Al/钢(1060/Q235B)复合板之间加入Ti过渡层，制备Al/Ti/钢三层爆炸复合金属板，采用金相显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，能谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)等表征手段，以及拉伸试验、剪切试验和硬度测试等，研究Ti过渡层对Al/钢爆炸复合板性能的影响，以期获得性能优异的Al/钢复合板材，使其在一些环境更为苛刻的领域中得到广泛应用。

1 实验

1.1 原材料

Al/钢爆炸复合板所用原材料为纯铝板(1060 Al，尺寸为12 mm×1 000 mm×2 000 mm)和钢板(Q235B，尺寸为38 mm×980 mm×1 980 mm)；Al/Ti/钢爆炸复合板的原材料为纯铝板1 060(尺寸为12 mm×1 000 mm×2 000 mm)、纯钛板(TA1，尺寸为2 mm×1 000 mm×2 000 mm)和钢板 (Q235B，尺寸为36 mm×980 mm×1 980 mm)。炸药统一采用铵油(ANFO)炸药。

1.2 爆炸焊接

在实际的工程应用中，爆炸焊接时材料的安装方式有平行安装法和倾斜安装法两种。考虑到大面积板材的安装难度与炸药分布的均匀性，本文采用平行安装法，采用ANFO炸药爆轰铝板，实现有效的爆炸焊接。图1(a)和(b)所示分别为Al/钢和Al/Ti/钢的爆炸焊接示意图，装药量以及基板与复板之间的距离分别用式(1)和式(2)进行计算[14]：

式中：为装药量，kg/m2；为与炸药和复板材料相关的系数；1为复板材料厚度，mm；2为所装炸药厚度，mm；为基板与复板之间的距离，mm；1为复板材料的密度，kg/m3。经过计算并修正，得到Al/钢爆炸焊接工艺参数：Al板和钢板间的距离为12 mm，ANFO炸药厚度为40 mm；在Al/Ti/钢爆炸焊接中，钢板与Ti板间距为4 mm，Ti板与Al板间距为8 mm，ANFO炸药厚度为40 mm。起爆雷管安装在炸药表面几何中心处。

1.3 组织与性能表征

采用OU5100数字式超声波探伤仪检验爆炸复合板的界面结合情况，经超声波探测检验，Al/钢复合板和Al/Ti/钢复合板的界面内部未出现较大缺陷，结合效果良好。在复合板材的几何中心位置处取尺寸为80 mm×50 mm×50 mm的试样块，进行组织与性能表征。从试样块的结合界面处取光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和电子探针显微分析(electron probe microanalysis，EPMA)样品。OM样品经过镶样、抛光、腐蚀等处理后，在4XC-II型金相显微镜下观察复合板界面结合处的显微组织。通过SIRION 200型扫描电镜观察结合界面处的形貌及拉伸断口形貌，并用能谱仪分析界面结合处的元素组成。通过JXA-8230型电子探针分析仪测定复合板界面扩散层的厚度，并分析界面处不同元素扩散的差异。

分别在Al/钢和Al/Ti/钢复合板材试样块的结合界面处取拉伸试验和拉脱试验的试样。按照GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》在Instron3369型拉伸试验机上进行室温拉伸试验，测定材料的抗拉强度。拉伸速率为1 mm/min，拉伸试样标尺距离为18 mm。其中Al/钢试样的Al层和钢层厚度均为2 mm；Al/Ti/钢试样中的Al层、Ti层和钢层的厚度分别为1、2和1 mm，2种试样的总厚度均为4 mm。在Instron3369型拉伸试验机上，分别按照CB1343—98《铝-钢过渡接头规范》和CB 20091—2012《铝合金-铝-钢(不锈钢)复合接头规范》，对Al/钢和Al/Ti/钢复合板进行室温拉脱试验，研究这两种复合板垂直于爆炸方向的界面结合强度，拉伸速率为1 mm/min。在Al/钢、Al/Ti和Ti/钢结合界面处取样，按照GB 6369—2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》在MTS811 型万能材料试验机上进行剪切试验，下压速率为1 mm/min。通过剪切试验，测定界面的剪切强度，用于表征复合板爆炸方向的界面结合性能。拉伸试验、拉脱试验和剪切试验均取3个平行试样进行试验。

图1 平行安装法制备Al/钢和Al/Ti/钢复合板的爆炸焊接示意图

(a) Al/steel composite; (b) Al/Ti/Steel composite

用200HVS-5型维氏硬度计测定复合板的界面显微硬度分布，施加载荷为 19.61 N，以界面连接处为中心，向两侧的测试距离为1 mm，相邻两个测试点间的距离为200 μm。

2 结果与讨论

2.1 界面组织与结构

结合界面呈现波浪形是爆炸复合板性能优良的一个重要特征[15]。图2(a)和(b)所示分别为Al/钢和Al/Ti/钢复合板腐蚀前的金相图。由图2(a)可知，Al/钢复合板的界面以平直结合面为主，波浪形的波长与波幅较小。从图2(b)看出Al/Ti/钢复合板的Al/Ti界面和Ti/钢界面形貌均以周期性波浪形界面为主，其中的Al/Ti波浪形结合界面起伏不大，呈正弦波形状，波长约为200～250 μm，波幅约50 μm；Ti/钢波浪形结合界面起伏较大，呈现锯齿啮合状，波长约为400～450 μm，波幅约100 μm。Al/Ti界面和Ti/钢界面形貌不同，主要是由于其复板的比强度不同。1060板作为Al/Ti界面成型的复板，比强度为2.64 m，TA1板作为Ti/钢界面成型的复板，比强度为9.32 m。复板的比强度越大，形成的波形界面起伏越大，即波长和波幅较大，且易形成涡区结构。所以Al/Ti/钢复合板的Ti/钢界面比Al/Ti界面起伏更大。

图2(c)和(d)所示分别为腐蚀后的Al/钢复合板的Al/钢界面以及Al/Ti/钢复合板的Ti/钢界面的钢侧基体金相图。从图2(c)看出，Al/钢界面的钢基体中明显观察到金属间化合物。AKBARI等[16]曾报导Al/钢界面的金属间化合物主要为FeAl3、FeAl2和Fe3Al。从图4(c)可见Al/钢复合板的钢侧基体处晶粒被拉长，越靠近界面，晶粒拉长越明显。从图2(d)所示Ti/钢界面的波峰区域也观察到晶粒被拉长现象，在钢侧组织中形成一层厚度均匀的细晶区域。这是因为在爆炸复合的高温高压作用下，界面两侧的金属受热熔化发生再结晶，界面处形成细小晶粒，这可极大地提高爆炸复合板界面的结合强度。因此在Al/钢复合板中加入过渡层Ti，可使Al/钢平直结合界面转化为Al/Ti和Ti/钢的周期性波浪形结合界面，增大界面间的接触面积，从而提高复合板的结合性能。

爆炸复合板界面重要的结合方式之一是两种板材通过金属间化合物连接[17]。图3所示为Al/钢、Al/Ti和Ti/钢等3个界面的扫描电镜背散射电子图和EDS元素面扫描图。从元素分布图可知，图3(a)所示Al/钢界面照片中最暗区域和最亮区域分别为Al元素和Fe元素，嵌入钢基体中的金属间化合物呈现尾翼状；附着在界面处的金属间化合物呈长条状。Al/钢界面区域的金属间化合物由这两种形貌完全不同的区域组成。尾翼状的金属间化合物中存在明显的缺陷和裂纹；长条状的金属间化合物在焊接完成后，界面金属相互熔融凝固，形成树枝晶。由于Al/钢界面处存在较多的这2种不同形态的组织，导致界面结合较差。从图3(b)和(c)可知，Al/钢界面中两区域的金属间化合物的元素组成也不同，尾翼状的金属间化合物主要是Al元素，长条状的金属间化合物主要为Fe元素。图3(d)和(g)所示分别为Al/Ti界面和Ti/钢界面的扫描电镜背散射电子图。从元素面扫描图可知，Al/Ti界面的最暗区域和最亮区域分别为Al元素和Ti元素，Ti/钢界面的最暗区域和最亮区域分别为Ti元素和Fe元素。Al/Ti界面和Ti/钢界面均较少形成金属间化合物，在波浪形结合界面的波峰处，金属射流得到累积，形成漩涡状熔融区域。对比图3(d)和(g)中的漩涡区，由于Ti/钢波浪形界面的波长较长，波幅较深，导致Ti/钢界面处的漩涡区比Al/Ti界面处的漩涡区范围更大，漩涡更深。将Al/Ti和Ti/钢这两个界面与Al/钢界面对比，发现Al/Ti/钢复合板的两个界面处金属间化合物累积更少，界面范围更小，且几乎没有出现裂纹和缺陷。

图2 爆炸复合板界面腐蚀前和腐蚀后的金相图

(a), (b) Al/steel and Al/Ti/steel composite plates before corrosion respectively(c), (d) Al/steel interface and Ti/steel interface after corrosion respectively

爆炸复合板界面的另外一种重要的结合方式是不同元素通过热扩散进行结合[18]。适量的元素扩散会提高复合板的结合强度，但过度的元素扩散会导致结合界面生成金属间化合物，降低复合板的结合强度[19]。对Al/钢、Al/Ti和Ti/钢这3个结合界面处的元素分布进行EPMA分析，结果如图4所示。从图4看出，在界面处，两种元素呈层状分布，有对应的浓度梯度。由图4(b)和(c)可知，Al/钢界面处，Al元素在钢板中的扩散层厚度为1.7 μm，Fe元素在Al板中的扩散层厚度为1.8 μm。由图4(e)和(h)可知，在Al/Ti和Ti/钢界面处，Al元素和Fe元素在钛层内的热扩散层厚度分别达到3 μm和3.2 μm。由图4(f)和(i)可知，Ti元素在Al板和钢板中的扩散厚度分别为2.7 μm和3 μm。在爆炸焊接过程中，界面的温度和压力对扩散层具有重要影响。温度越高，压力越大，扩散层越厚。WU等[20]的研究表明采用过渡层能提高炸药的能量利用率，在三层爆炸复合系统的动量分析中，爆炸焊接过程中的空气阻力、地基对基板的力以及其他外力对系统的影响都远小于双层爆炸复合的系统。在相同的炸药能量条件下，Al/Ti和Ti/钢结合界面形成过程中比Al/钢结合界面形成过程中受到更剧烈的碰撞，产生更高的温度和压力，使Al/Ti和Ti/钢界面的热扩散层厚度比Al/钢界面的热扩散层厚度更大，从而在一定程度上提高复合板的结合强度。

图3 Al/钢和Al/Ti/钢复合板的界面背散射电子扫描图和EDS元素面扫描分析

(a), (b), (c) Al/steel interface; (d), (e), (f) Al/Ti interface; (g), (h), (i) Ti/steel interface

2.2 力学性能

界面拉脱强度和界面剪切强度用于对复合板界面结合强弱进行表征。表1和表2分别为Al/钢和Al/Ti/钢复合板的拉脱强度与界面剪切强度。从表1和表2可知，Al/钢和Al/Ti/钢复合板的拉脱强度平均值分别为149.88 MPa和179.04 MPa；Al/钢、Al/Ti和Ti/钢等3个界面的剪切强度平均值分别为75.20、95.55和332.65 MPa。在Al/钢复合板中加入过渡层钛后，拉脱强度提高19.5%，Al/Ti界面较Al/钢界面剪切强度提高27.1%，Ti/钢界面较Al/钢界面剪切强度提高342.4%。观察拉脱试验后的试样，发现Al/钢试样的断裂发生在Al/钢界面处，Al/Ti/钢试样的断裂发生在Al/Ti界面处，表明Al/钢和Al/Ti/钢复合板的结合强度分别由Al/钢界面和Al/Ti界面决定。从图2和图4可知，Al/Ti/钢复合板的Al/Ti界面波形啮合更好，界面间的扩散层更厚，且界面处无脆性金属间化合物。所以其结合强度明显提高。

图4 界面的SEM形貌和电子探针元素分析

(a), (b), (c) Al/steel interface; (d), (e), (f) Al/Ti interface; (g), (h), (i) Ti/steel interface

表1 Al/钢和Al/Ti/钢复合板的拉脱强度

表2 Al/钢和Ti/钢复合板的界面剪切强度

通过3个平行试样的拉伸试验，测得Al/钢和Al/Ti/钢复合板的平均抗拉强度分别为332.91 MPa和543.55 MPa，伸长率分别为15.6%和10.7%。图5所示为复合板的拉伸断口表面SEM形貌。由于不同金属板的泊松比不同，导致复合板拉伸断裂的界面处出现开口。图5(a)和(d)所示分别为Al/钢和Al/Ti/钢复合板的拉伸断口SEM图，通过对比可知，Al/钢复合板的界面开口宽度比Al/Ti/钢复合板中2个界面的开口宽度大，这是因为在Al/钢复合板的拉伸过程中，Al/钢界面处的金属间化合物层中萌生裂纹，该裂纹的扩展比Al/Ti和Ti/钢界面的裂纹扩展更加严重，故界面开口更宽。图5(b)和(c)所示为Al/钢界面的Al侧和钢侧的形貌；图5(e)和(f)分别为Al/Ti/钢复合板拉伸断口的Al侧和钢侧的形貌。从图中看出，Al/钢界面的Al侧和钢侧、Al/Ti界面的Al侧和Ti/钢界面的钢侧均存在较多的韧窝，界面的主要断裂方式均为韧性断裂。由于过渡层技术导致炸药利用率提高，Al/Ti/钢的钢基体受到更高的温度和压力，发生更强烈的形变强化作用，界面处发生更明显的晶粒细化和晶粒变形现象，产生形变强化效应和细晶强化效应，从而提高复合板的界面强度和硬度。

图6所示为Al/钢和Al/Ti/钢复合板界面处的硬度(HV)分布。随着距界面的距离增大，由于加工硬化效果越来越弱，硬度呈现较明显的下降。从图6(a)看出，Al/钢复合板的界面处，Al的基础硬度值为35，钢的基础硬度值为160，经过爆炸焊接的加工硬化后，界面处的Al侧硬度平均值提高到42.5左右，钢侧硬度平均值提高到180左右。图6(b)和(c)所示分别为Al/ Ti/钢复合板的Al/Ti界面和Ti/钢界面处的硬度分布。Ti的基础硬度为140，Al/Ti界面的Al侧和Ti侧硬度平均值分别提高到40和200；Ti/钢界面的Ti侧和钢侧的硬度平均值分别从基础硬度提高到210和205。过渡层Ti的硬度提升幅度比Al层和钢层都大。在爆炸焊接制备Al/Ti/钢三层复合板的过程中，Ti中间层受到两侧金属的撞击，两侧都产生一定的细晶强化和形变强化作用，使中间层Ti的加工硬化程度比两侧的金属高，从而导致Ti层的力学性能提高更显著。

图5 Al/钢和Al/Ti/钢复合板的拉伸断口表面SEM形貌

(a), (b), (c) Al/steel composite; (d), (e), (f) Al/Ti/steel composite

图6 Al/钢和Al/Ti/钢复合板界面附近的硬度(HV)分布

(a) Al/steel; (b) Al/Ti; (c) Ti/steel

3 结论

1) 采用爆炸复合工艺制备具有Ti过渡层的Al/钢复合材料，得到Al/Ti/钢三层复合板，复合板的界面结合得到改善，Al/钢的平直界面转变呈正弦波形的Al/Ti界面和锯齿形的Ti/钢界面。Al/Ti和Ti/钢界面处生成漩涡区，且难以生成脆性金属间化合物。Al/Ti和Ti/钢界面处扩散层的厚度分别为3 μm和3.2 μm，较Al/钢界面扩散层厚度分别提高76.5%和77.8%。

2) 与Al/钢复合板相比，Al/Ti/钢复合板的整体力学性能提高，拉脱强度由149.88 MPa提高至178.22 MPa，提高18.9%；剪切强度由75.20 MPa提高至Al/Ti的95.55 MPa和Ti/钢界面的332.65 MPa，分别提高27.1%和342.4%。同时复合板的界面硬度提高，由结合界面处向基体两侧逐渐下降。过渡层钛的硬度较其基础硬度提高更显著。

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Effects of titanium transition layer on interface characteristics and mechanical properties of Al/steel explosive composites

ZHANG Wending1, LI Huizhong1, 2, 3, LIANG Xiaopeng1, 2, 3, ZENG Zhiheng4

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 3. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China; 4. Hunan Phohom New Material Technology Co., Ltd., Changsha 410083, China)

The Al/Ti/steel (1060/TA1/Q235B) three-layer explosive composite plate was prepared by explosive composite technology with Ti transition layer. The interface characteristics of these composite plates were characterized and the mechanical properties were tested. The results show that the Al/Ti interface in the Al/Ti/steel composite plate is sinusoidal waveform, the Ti/steel interface is sawtooth waveform, and the interface is well bonded. Vortex melting zone is formed between Al/Ti and Ti/steel interface, and there is no brittle intermetallic compound region. The thickness of thermal diffusion layer of Al and Fe in titanium layer is 3 μm and 3.2 μm, respectively, which is 76.5% and 77.8% higher than that of Al/steel interface, respectively. The addition of Ti transition layer increases the bonding strength of Al/steel composite plate from 149.88 MPa to 178.22 MPa, and the interface shear strength from 75.20 MPa of Al/steel interface to 95.55 MPa of Al/Ti interface and 332.65 MPa of Ti/steel interface.

explosive cladding; interlayer technology; Al/steel; Al/Ti/steel; mechanical properties

TG392

A

1673-0224(2021)05-456-09

国家自然科学基金资助项目(51774335)

2021-06-04；

2021-07-14

李慧中，教授，博士。电话：0731-88830377；E-mail: lhz606@csu.edu.cn

(编辑 汤金芝)