钛板表面质量对钛钢复合板界面的影响

利用爆炸焊接+热轧工艺制备钛－钢复合板的生产工艺较为成熟，制备的复合板兼具钛材的高比强度、 优良的耐蚀性及钢材的高强度、良好的塑性和易焊性，成本低，生产效率高，产品生命周期长，已成为现代 工业不可缺少的结构材料，广泛应用于石油、化工、船舶和电力等行业［1－3］。

钛－钢爆炸焊接具有一定难度和特殊性，为获得大面积钛－钢复合板，通常采用爆炸焊接+热轧工艺。 钛－钢复合板的结合质量是保证工程结构能够安全服役的关键，原料和生产过程控制不当，将显著降低钛－ 钢复合板的结合强度。本研究以爆炸焊接+热轧工艺制备的钛－钢复合板为研究对象，分析由于钛板表面质 量造成的复合界面缺陷，进而优化生产工艺，保证钛－钢复合板的性能满足相关要求。

1、试验材料与方法

采用爆炸焊接+热轧工艺生产钛－钢复合板，复层和基体分别为6mm TA1钛板和30mm Q235B钢板，其性能 见表1。采用线切割截取试样，测试钛－钢复合板性能:拉伸和剪切试验分别按照GB/T 228.1—2010《金属材 料拉伸试验第1部分:室温拉伸方法》和GB/T 6396－2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》进行测试;使 用OLYMPUSGX71金相显微镜进行金相分析，采用Hanemann显微硬度计进行硬度测试，采用氢氟酸(5ml)+硝酸 (12ml)+水(83ml)溶液进行钛组织蚀刻。

2、结果与讨论

2.1复合板力学性能对比

复合板的理论抗拉强度为Ｒm=(t1·Ｒm1+t2·Ｒm2)/(t1+t2)  (1)

其中，Rm为复合板强度下限标准值，Rm1和t1是基材强度下限标准值和厚度，Rm2和t2是复材强度下限标 准值和厚度。

经超声波探伤，复合板内部区域结合良好，没有发现超标缺陷，周边局部未复合区在20～100mm之间， 属于爆炸焊接过程边界效应区。

对轧制后的复合板进行550℃×1.5h退火，退火后取样测试，取样位置见图1。表2所示是复合板正常区 域和异常区域钛板的性能，不同区域的强度均高于理论强度;内部正常区域的剪切强度高于196MPa，强度波 动较小，说明复合板各区域结合强度较均匀;而边部有几组剪切强度不均匀，部分数据低于140MPa，不满足 GB/T8547—2006中其他类复合板要求［4］，后续加工时，复合板出现分层的可能性较大。

2.2爆炸焊接+热轧钛－钢复合板缺陷

采用爆炸焊接+热轧工艺制备TA1/Q235B钛－钢复合板，钛板头尾和边部区域出现分层、碎边与皱褶等缺 陷，见图2。对于爆炸焊接钛－钢复合板，边界效应普遍存在，会显著降低复合板结合面的结合强度和复合 率［5］，而除了边界效应造成的缺陷外，分层和碎边缺陷会影响成品率。

2.3钛板表面缺陷对复合板性能影响

为了分析复合板产生分层和碎边等缺陷的原因，重点对钛板的组织和性能进行分析。

图3所示是TA1/Q235B复合板爆炸焊接+热轧后，缺陷附近位置的界面微观形貌。可以看到，在钛复合板 一侧有明显的裂纹、孔洞、夹杂物和不均匀变形区域等。钛板中的这些缺陷接近表面区域，可能是由于原材 料板坯或半成品缺陷修磨去除不干净，产生缺陷遗传，造成钛板表面夹杂、富氧层和疏松等缺陷，进而在轧 制中发生压入和扩展。

图4所示是复合板热轧后钛板的局部表面缺陷，存在与基体分层的白亮缺陷、与基体连接紧密的较亮缺 陷。分层的白亮区域局部最大厚度超过300μm，与基体连接较紧密的较亮区域局部最大厚度超过200μm，主 要为氧化层。爆炸焊接复合用钛板需要进行退火+喷砂+酸洗+抛光，减薄量一般在200μm左右，因此，钛板 表面缺陷过厚时，成品中存在氧化层残留。

表3所示是图4中不同区域的硬度测试结果。分层的白亮区硬度最高，未分层的较亮区域硬度也较高，过 渡区域硬度次之，正常区域硬度最低。分析确认，表面硬度偏硬区域为氧化层，接近表面区域为富氧层，硬 度也高于正常区域的。

图5是复合用钛板表面的局部微裂纹和分层缺陷，在后续的爆炸焊接中，这些缺陷会进一步引起分层和 结合不牢等缺陷。

2.4热压对钛板表面的影响

钛板屈服强度越大，爆炸焊接过程中钛板应变强化越明显，塑性变形能力减弱，易形成褶皱性缺陷。通 过控制原材料钛板的屈服强度可使之处于较低的水平，在爆炸焊接时形成稳定、连续的塑性变形［6］。

退火时温度在600℃以上时，每提高50℃，纯钛的屈服强度会下降10MPa左右。鉴于此，爆炸焊接前，钛 板应在厚钢板压制下进行长时间热压校形，以获得良好的性能和板形。但热压温度增高会增加钛板表面的氧 化层厚度，因此，应设计适宜的退火温度以降低钛板的屈服强度，避免产生过厚(大于200μm)的氧化层。

图6所示是650℃和750℃热压后钛板的表面形貌，中间的灰黑色区域是钛板叠压贴合造成的结果，边部 氧化剧烈，温度高时钛板软化造成贴合更紧密，氧化和高温扩散也更显著。

钛在高温下与氧、氮等元素剧烈反应，表面形成较厚的吸气层，硬度升高、塑性降低。图7是钛板边部 区域在650℃和750℃热压后表面情况，检测吸气层厚度分别为50～100μm和80～150μm。钛板热压后边部区 域比中间区域的氧化更明显，存在不均匀现象，温度越高氧化层越致密、越厚，需反复多次喷砂酸洗清除氧 化层，可能造成板形不良及加工硬化，不利于爆炸焊接。

2.5分析与讨论

爆炸焊接用钛板热压后表面氧化层可以通过喷砂、酸洗等工序正常去除，但由于原料、熔炼和钛材轧制 加工中一些不可避免的因素，钛材表面的夹杂、富氧层和疏松等缺陷在轧制中发生较深的压入和扩展，造成 钛板局部残留氧化层等缺陷。热压钛板温度越高，氧化层越致密、越厚，反复多次喷砂、酸洗可能造成板形 不良及加工硬化，不利于爆炸焊接。

3、结论

(1)利用爆炸焊接+热轧工艺制备的TA1/Q235B复合板，出现了碎边、分层和皱褶分层等缺陷，这与爆炸 焊接后复合板边部局部区域剪切强度低于140MPa、结合不牢固有关。

(2)钛－钢复合板轧制后钛侧出现的碎边、分层和皱褶等缺陷，与钛板的板形不良和表面的氧化吸气层 厚度较大关系密切。为消除氧化层残留，需要选用优质钛锭，板坯和半成品表面缺陷修磨要彻底;选用适宜 的热压温度，爆炸焊接前对钛板进行抛光，去除表面氧化吸气层，以减少复合时的结合不良问题。

参考文献:

［1］宋磊，邹见宾，李松元，等.钛/钢 爆炸复合板边界效应的产生与预防［J］.有色金属工程，2015，5(2):1－3.

［2］王小华.电厂烟囱用钛－钢复合板钛 复材焊接缺陷产生原因及预防措施［J］.材料开发与应用，2012，27(4):102－105.

［3］辛宝，岳宗洪，邓光平，等.钛－钢 复合板热轧工艺研究［J］.材料开发与应用，2016，31(6):75－79.

［4］国家质量监督检验检疫总局，中国 国家标准化管理委员会.钛－钢复合板:GB/T8547—2006［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［5］王飞，刘广初，王连来.减小爆炸焊 接边界效应影响研究［J］.工程爆破，2005，11(2):6－9.

［6］辛宝，刘金涛，崔卫超，等.钛的屈 服强度对大面积钛－钢复合板结合性能的影响［J］.材料开发与应用，2015，30(6):10－14.

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