TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面缺陷分析

蔣健博，王長(zhǎng)順，及玉梅，付魁軍，王佳驥，劉芳芳

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧鞍山114009）

鈦的一個(gè)顯著特點(diǎn)是耐腐蝕性強(qiáng)，這是由于它對(duì)氧的親合力特別大，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護(hù)鈦不受介質(zhì)腐蝕。因此鈦被大量用作各種化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器材料及防腐蝕領(lǐng)域，但缺點(diǎn)是成本較高，特別是作為結(jié)構(gòu)部件使用時(shí)尤為突出[1-2]。鈦鋼復(fù)合板兼具鋼的良好力學(xué)性能以及鈦在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的優(yōu)異耐蝕性能，解決了純鈦應(yīng)用的高成本問(wèn)題，已經(jīng)在機(jī)械、航空航天、建筑、核能、石油化工和海洋工程等工業(yè)領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用[3-4]。

目前，國(guó)外生產(chǎn)鈦鋼復(fù)合板的工藝主要以軋制復(fù)合法為主，與爆炸法、爆炸-軋制法相比，軋制復(fù)合法在制備工藝、經(jīng)濟(jì)成本、產(chǎn)品規(guī)格和環(huán)境保護(hù)方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)鈦鋼復(fù)合板制備技術(shù)的主要發(fā)展方向[5-6]。在現(xiàn)有的研究中，對(duì)于鈦鋼復(fù)合板制備工藝中添加過(guò)渡金屬以提高鈦鋼復(fù)合強(qiáng)度的研究較多，如王敬忠等人采用工業(yè)純鐵和紫銅作為中間夾層材料，研究分析了不同的過(guò)渡金屬對(duì)軋制鈦鋼復(fù)合板復(fù)合性能的影響[7]，馬英等人分別采用紫銅T2、鎳N6、純鐵DT4作為過(guò)渡金屬，對(duì)其軋制鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合性能進(jìn)行了檢驗(yàn)分析[8]，而對(duì)軋制鈦鋼復(fù)合界面易發(fā)生的缺陷及其形成原因開(kāi)展的研究工作相對(duì)較少。鈦鋼復(fù)合界面易出現(xiàn)的缺陷直接影響到鈦鋼的復(fù)合質(zhì)量，缺陷的深入研究對(duì)于制造高品質(zhì)的鈦鋼復(fù)合板和提高其性能穩(wěn)定性具有重要意義。

鈦鋼復(fù)合界面的質(zhì)量直接影響鈦鋼復(fù)合板的整體性能，文中以鈦鋼復(fù)合板為研究對(duì)象，采用真空電子束焊接技術(shù)制備復(fù)合板坯，通過(guò)加熱、軋制得到鈦鋼復(fù)合板，對(duì)鈦鋼復(fù)合界面進(jìn)行比較分析，研究復(fù)合界面的缺陷種類(lèi)和形成原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用TA2工業(yè)純鈦板和Q345B低合金鋼為試驗(yàn)材料，規(guī)格分別為3 mm×150 mm×200 mm和50 mm×190 mm×240 mm，其中TA2鈦板作為復(fù)層金屬，Q345B低合金鋼作為基層金屬，其化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。

表1 TA2鈦板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 Q345B低合金鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鈦鋼復(fù)合坯的組坯形式為非對(duì)稱包覆組坯，采用包覆金屬層+TA2鈦板+Q345B連鑄坯依次疊放的順序，鈦板四周采用Q345B低合金鋼夾條進(jìn)行填充。其中，包覆金屬層為Q345B低合金鋼，規(guī)格為5 mm×190 mm×240 mm。組坯前，需要對(duì)復(fù)合坯表面進(jìn)行打磨和酒精擦拭，去除待復(fù)合界面和焊接區(qū)域內(nèi)的鐵銹和油污。另外，為了防止鈦板與包覆金屬層在軋制的過(guò)程中發(fā)生接觸、結(jié)合，需要在包覆層側(cè)涂覆隔離劑。試驗(yàn)選擇的隔離劑為FHP-147，在-35℃至1 450℃內(nèi)，在爐時(shí)間19 h內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)鈦板與包覆層金屬的完全隔離。組坯完成后，送入真空室，當(dāng)真空度≤10-2Pa時(shí)，采用真空電子束焊接技術(shù)對(duì)TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板坯進(jìn)行組坯焊接，焊接參數(shù)為電壓U為60 kV，電流I為 80～100 mA，速度v為 300～400 mm/min。 組坯焊接完成后，經(jīng)過(guò)加熱和軋制得到TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板。

采用Z1200電液伺服拉伸材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鈦鋼復(fù)合板進(jìn)行拉伸和剪切試驗(yàn)，采用ZBC2602全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊韌性檢測(cè)，試驗(yàn)溫度為室溫。采用WB-1000電液伺服彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度為180°，彎心直徑d=2a。力學(xué)性能檢測(cè)中所涉及的取樣數(shù)量、方向和位置以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)均按照復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法（GB/T 6396-2008）進(jìn)行。另外，還切取了金相試樣，對(duì)TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面進(jìn)行了組織狀態(tài)觀察并采用掃描電鏡進(jìn)行能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軋制鈦鋼復(fù)合板力學(xué)性能分析

為了研究軋制鈦鋼復(fù)合板的界面缺陷種類(lèi)和形成原因，按照鈦鋼復(fù)合板相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其綜合性能進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，通過(guò)真空包覆組坯+熱軋技術(shù)制備的鈦鋼復(fù)合板拉伸相關(guān)性能和室溫沖擊性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但復(fù)合界面抗剪切性能不穩(wěn)定且抗剪切強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。同時(shí)，在進(jìn)行彎曲性能檢驗(yàn)時(shí)也出現(xiàn)了復(fù)合界面開(kāi)裂的問(wèn)題。從力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面形成的缺陷對(duì)其拉伸和沖擊性能影響較小，對(duì)其抗剪切性能和彎曲性能影響較大。由于鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面存在缺陷，在進(jìn)行復(fù)合界面抗剪切性能檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的波動(dòng)較大，最高的抗剪切性能達(dá)到320 MPa，遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)140 MPa的要求，但最低的抗剪切性能僅有90 MPa。同時(shí)，在進(jìn)行彎曲檢驗(yàn)時(shí)，鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面也出現(xiàn)了開(kāi)裂和未開(kāi)裂兩種情況，這說(shuō)明鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面形成的缺陷分布不均勻，當(dāng)復(fù)合界面存在較大缺陷或缺陷集中時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)抗剪切性能較低和彎曲檢驗(yàn)復(fù)合界面開(kāi)裂等問(wèn)題。

2.2 軋制鈦鋼復(fù)合板界面組織缺陷分析

為了研究分析鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面存在缺陷的種類(lèi)和形成原因，對(duì)其復(fù)合界面在未腐蝕的條件下進(jìn)行了微觀組織觀察，如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面復(fù)合狀態(tài)良好，形成了冶金結(jié)合，鈦與碳鋼之間復(fù)合界面清晰，且平滑連續(xù)，未見(jiàn)大量連續(xù)未結(jié)合缺陷存在，但發(fā)現(xiàn)復(fù)合界面存在微米級(jí)的點(diǎn)狀未結(jié)合缺陷。

為了進(jìn)一步分析鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面缺陷的特征，采用4%的硝酸酒精對(duì)鈦鋼復(fù)合板橫切面進(jìn)行了腐蝕，在金相顯微鏡下觀察，其結(jié)果如圖2（a）所示，從圖中可以看出，鈦層和碳鋼層之間形成了冶金連接，整體復(fù)合狀態(tài)良好，Q345B基層由珠光體和鐵素體組織構(gòu)成，TA2復(fù)層由α鈦組織構(gòu)成，在復(fù)合界面Q345B側(cè)存在厚度為5 μm左右的脫碳層。如圖2（b）所示，在復(fù)合界面處發(fā)現(xiàn)存在細(xì)小的未結(jié)合缺陷，其長(zhǎng)度約為15 μm，分布狀態(tài)為散點(diǎn)非連續(xù)分布。

圖1 未腐蝕的鈦鋼復(fù)合板界面組織特征

圖2 腐蝕后的鈦鋼復(fù)合板結(jié)合界面組織特征

為了確定其形成原因，對(duì)其復(fù)合界面間隙內(nèi)表面進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果如圖3所示。從能譜分析結(jié)果可以看出，未結(jié)合缺陷內(nèi)表面存在大量的氧化物。

從鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面細(xì)小未結(jié)合缺陷的能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，未結(jié)合缺陷內(nèi)表面形成了大量Mg、Al、Si等元素的氧化物。其中，Ti元素為復(fù)層Ti所含金屬元素，F(xiàn)e元素為基層Q345B所含金屬元素，Mg、Al、Si和 Mn 為 Q345B 基層中向復(fù)合界面的擴(kuò)散元素。采用軋制法制備鈦鋼復(fù)合板，一方面在基材和復(fù)材進(jìn)行表面處理過(guò)程中，加工表面細(xì)小溝槽會(huì)強(qiáng)力吸附空氣；另一方面，在進(jìn)行鈦鋼復(fù)合坯組坯過(guò)程中，鈦鋼待復(fù)合界面雖然經(jīng)過(guò)抽高真空處理，但部分復(fù)合界面仍會(huì)出現(xiàn)氣體殘留。殘留的氣體在鈦鋼復(fù)合坯加熱和軋制過(guò)程中，會(huì)與基材表面金屬發(fā)生反應(yīng)形成氧化層。針對(duì) Q345B 基材含有的 Mg、Al、Si、Fe 等元素， 其金屬的標(biāo)準(zhǔn)自由能 ΔG0大小排序?yàn)?Mg＜Al＜Si＜Fe，則殘余氣體首先與Mg、Al、Si等元素發(fā)生反應(yīng)形成氧化物。這些氧化物的存在，在軋制過(guò)程中阻礙了鈦、鋼之間形成冶金結(jié)合，雖然在軋制過(guò)程中會(huì)發(fā)生破碎、分散，但最后依然會(huì)形成未結(jié)合缺陷。受力時(shí)，則會(huì)在未結(jié)合缺陷處形成應(yīng)力集中并延 展形成裂紋，最終導(dǎo)致復(fù)合界面開(kāi)裂。

圖3 鈦鋼復(fù)合界面缺陷能譜分析

2.3 軋制鈦鋼復(fù)合板剪切斷口缺陷分析

為了進(jìn)一步分析鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面的缺陷及其形成原因，對(duì)合格和不合格剪切試樣的斷口進(jìn)行了掃描電鏡觀察，如圖 4（a）、4（b）所示。 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，合格剪切試樣的斷口無(wú)夾雜、氣孔和未結(jié)合缺陷存在，斷口呈層片狀，鈦復(fù)層和Q345B基層形成了冶金結(jié)合，結(jié)合狀態(tài)良好。但不合格剪切試樣的斷口存在較多夾雜缺陷且斷口平滑，無(wú)階梯、撕裂特征。塊狀?yuàn)A雜大小約為10～20 μm左右，呈點(diǎn)狀不均勻分布。

圖4 鈦鋼復(fù)合板剪切試樣斷口形貌

為確定塊狀?yuàn)A雜的形成原因，對(duì)其進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果如圖5所示。從分能譜析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，塊狀?yuàn)A雜物主要含有C和Ti元素，則說(shuō)明塊狀?yuàn)A雜物主要由TiC脆性相構(gòu)成。

圖5 不合格剪切斷口缺陷能譜分析

鈦復(fù)層和Q345B基層在加熱和軋制力作用下，會(huì)發(fā)生原子間結(jié)合，形成冶金連接。Q345B基層中的C元素在濃度梯度的作用下會(huì)向Ti復(fù)層擴(kuò)散，在復(fù)合界面產(chǎn)生偏聚，形成了塊狀的TiC脆性相。由于形成的TiC脆性相較為粗大，且分布狀態(tài)為點(diǎn)狀、非彌散分布，不僅無(wú)法起到強(qiáng)化界面性能的作用，反倒形成了新的裂紋源。鈦鋼復(fù)合界面形成的TiC脆性相由于其無(wú)法在受力過(guò)程中隨基體發(fā)生塑性形變，在其邊緣形成了細(xì)小裂紋，進(jìn)一步擴(kuò)展則會(huì)引起復(fù)合界面的開(kāi)裂。

3 結(jié)論

通過(guò)采用真空包覆組坯+熱軋技術(shù)制備了TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板，并對(duì)其復(fù)合界面微觀組織與相關(guān)力學(xué)性能的觀察和檢測(cè)，研究分析了復(fù)合界面的缺陷及其形成原因，可以得到以下結(jié)論：

（1）TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面易形成非均勻分布缺陷，該缺陷對(duì)鈦鋼復(fù)合板的拉伸性能和沖擊性能影響較小，但對(duì)抗剪切性能和彎曲性能影響較大。

（2）TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面清晰且連續(xù)，但存在細(xì)小的未結(jié)合缺陷，長(zhǎng)度為2～8 μm，因組坯時(shí)復(fù)合界面處的殘留氣體而形成的Mg、Al、Si等氧化物會(huì)影響鈦、鋼在軋制過(guò)程中發(fā)生冶金結(jié)合。

（3）TA2/Q345B鈦鋼復(fù)合板復(fù)合界面存在塊狀TiC脆性相缺陷，該缺陷在其周?chē)仔纬杉?xì)小裂紋。