冷軋對(duì)鑄軋鈦鋁復(fù)合板界面組織與性能的影響

史士欽，王文焱,1b，尚鄭平，邵　昌，謝敬佩,1b

(1.河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023;2.洛陽銅一金屬材料發(fā)展有限公司，河南 洛陽 471003；3.新疆閩龍耐磨材料有限公司，新疆 奎屯 833200)

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冷軋對(duì)鑄軋鈦鋁復(fù)合板界面組織與性能的影響

史士欽1a，王文焱1a,1b，尚鄭平2，邵昌3，謝敬佩1a,1b

(1.河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023;2.洛陽銅一金屬材料發(fā)展有限公司，河南 洛陽 471003；3.新疆閩龍耐磨材料有限公司，新疆 奎屯 833200)

采用鑄軋法制備鈦鋁復(fù)合板并對(duì)其進(jìn)行冷軋?zhí)幚恚褂萌f能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同變形量的復(fù)合板進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，用顯微硬度計(jì)測(cè)量界面層附近的顯微硬度，通過光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察其界面結(jié)合情況、微觀組織及拉伸斷口形貌。研究結(jié)果表明：隨著壓下率的增加，界面層兩側(cè)的硬度逐漸增大。當(dāng)壓下率為23%時(shí)，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度從鑄軋態(tài)的172 MPa增加到215 MPa，延伸率從34%下降到16%，界面層僅有少量裂紋。隨著壓下率的增加，抗拉強(qiáng)度緩慢增加，界面處裂紋的長(zhǎng)度和寬度迅速增加，界面層迅速減薄。當(dāng)壓下率達(dá)到53%時(shí)，界面層破損嚴(yán)重，鈦鋁兩種金屬的主要結(jié)合方式由冶金結(jié)合變?yōu)闄C(jī)械嚙合。

鑄軋法；鈦鋁復(fù)合板；冷軋；界面層；力學(xué)性能

0　引言

隨著各種新技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)，對(duì)材料的綜合使用性能要求越來越高。單一的金屬材料很難滿足工業(yè)的實(shí)際需求，因此，復(fù)合材料成為研究的熱點(diǎn)，其中，層狀金屬復(fù)合材料成為一個(gè)重要的研究方向[1-4]。鈦鋁復(fù)合板是一種性能優(yōu)異的層狀雙金屬復(fù)合材料，不但具有鈦的比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐磨損等特點(diǎn)，也具有鋁的質(zhì)量輕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好和美觀價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，目前，有些國(guó)家已經(jīng)將鈦/純鋁復(fù)合雙金屬用于建筑，將鈦/硬鋁復(fù)合雙金屬用于軍事和航空構(gòu)件上[5-6]。

鈦鋁復(fù)合板主要采用軋制復(fù)合和爆炸復(fù)合的方法生產(chǎn)，對(duì)鑄軋法生產(chǎn)鈦鋁復(fù)合板的研究還較少。鑄軋法具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了雙金屬復(fù)合生產(chǎn)的近終形、短流程化等特點(diǎn)[7-8]，但對(duì)于熔點(diǎn)、硬度等性能相差較大的異種金屬來說，用鑄軋法生產(chǎn)得到相互結(jié)合良好的復(fù)合板仍有一定難度，并且目前對(duì)于鑄軋法生產(chǎn)復(fù)合板的再加工性能的研究[9-10]也較少，因此需要進(jìn)一步研究。本文主要研究了冷軋對(duì)鑄軋鈦鋁復(fù)合板力學(xué)性能和微觀組織的影響。通過試驗(yàn)得到不同壓下率復(fù)合板的綜合性能，從而研究鑄軋法生產(chǎn)的鈦鋁復(fù)合板的再加工性能，得出鈦鋁復(fù)合板冷軋使用時(shí)的最佳壓下率。

1　試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)所用材料是由洛陽銅一金屬材料發(fā)展有限公司提供的鑄軋態(tài)6.5 mm厚的鈦鋁復(fù)合板，其中：鈦板厚度為0.6 mm，為TA1工業(yè)純鈦，化學(xué)成分見表1；鋁板厚度為5.9 mm，為8011鋁合金，化學(xué)成分見表2。根據(jù)試驗(yàn)需要，把6.5 mm厚的鈦鋁復(fù)合板切割取下3塊，在φ220 mm×3 mm小型精密軋鋼機(jī)上分別沿鑄軋方向進(jìn)行冷軋，壓下率分別為23%、38%和53%，即軋制后的復(fù)合板相應(yīng)的厚度為5 mm、4 mm 和3 mm。

表1　TA1工業(yè)純鈦的化學(xué)成分　 %

表2　8011鋁合金的化學(xué)成分　%

利用電火花切割技術(shù)，將不同厚度的鈦鋁復(fù)合板沿軋制方向進(jìn)行加工拉伸試驗(yàn)，試樣標(biāo)準(zhǔn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 228—2002進(jìn)行加工，在SHIMADZU(日本島津)AG-I 250 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量不同厚度復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度和延伸率。從不同厚度的復(fù)合板中分別切割10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)拋光腐蝕后進(jìn)一步觀察界面層和顯微組織，腐蝕液采用體積比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=2∶3∶95的溶液，用Olympus PMG3光學(xué)顯微鏡對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行觀察，用TESCAN-VEGA3型掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)界面層形貌和拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340—1999顯微硬度測(cè)試方法，用HVS-1000A型顯微硬度計(jì)對(duì)鈦鋁復(fù)合板的界面擴(kuò)散層進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，加載力選取 0.098 N，保載時(shí)間為10 s。

2　結(jié)果與分析

2.1鈦鋁復(fù)合板形貌分析

2.1.1宏觀形貌分析

圖1　冷軋?zhí)幚砗蟮拟佷X復(fù)合板宏觀形貌

隨著壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板在冷軋過程中會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，冷軋?zhí)幚砗蟮拟佷X復(fù)合板宏觀形貌如圖1所示。圖1從上到下依次是冷軋壓下率為23%、38%和53%的鈦鋁復(fù)合板，其中復(fù)合板的上層為金屬鈦，下層為金屬鋁。

由圖1可以看出：在壓下率為23%和38%時(shí)，鈦鋁復(fù)合板沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；而在壓下率為53%時(shí)，鈦鋁復(fù)合板的鈦層出現(xiàn)了明顯斷續(xù)的裂紋。這是因?yàn)樵谲堉七^程中鈦鋁兩種金屬的流動(dòng)性、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能差別較大，同時(shí)在冷軋時(shí)還會(huì)受到界面層施加的約束力，所以當(dāng)壓下率較低時(shí)鈦鋁兩種金屬基本上協(xié)調(diào)同步變形，但壓下率增大時(shí)，兩種金屬的變形速度差也會(huì)增大，使流動(dòng)性相對(duì)差的鈦層在邊緣首先出現(xiàn)裂紋，進(jìn)一步使金屬鋁從鈦表面上的裂縫中流出。

2.1.2微觀組織形貌分析

對(duì)鈦鋁復(fù)合板進(jìn)行了3種不同壓下率的冷軋?zhí)幚聿?duì)鈦鋁復(fù)合板進(jìn)行金相及SEM觀察，圖2為不同冷軋壓下率鈦鋁復(fù)合板的金相和SEM照片。

圖2a和圖2b分別為未冷軋時(shí)復(fù)合板的金相照片和SEM照片。由圖2a可看出：鈦板組織均勻，晶?；緸榈容S狀，說明鑄軋法生產(chǎn)復(fù)合板時(shí)鈦板受到的軋制壓力不大，鈦板幾乎不產(chǎn)生變形，鋁板由于是半固態(tài)鑄軋成型，同樣組織均勻，這也是鑄軋法生產(chǎn)鈦鋁復(fù)合板具有良好的再加工性能的原因。由圖2b可以清晰地發(fā)現(xiàn)異于兩邊母材的黑白相間的界面層，界面層呈平直狀且清晰連續(xù)，說明鑄軋法生產(chǎn)的鈦鋁復(fù)合板兩種母材結(jié)合良好，形成了良好的冶金結(jié)合層。

由圖2c～圖2h可以看出：隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板兩邊的母材鈦和鋁以及界面層都發(fā)生了很大的變化，圖2c、圖2e和圖2g中鈦板晶粒沿著軋制方向逐漸伸長(zhǎng)，晶粒由等軸狀變?yōu)楸馄綘?，?dāng)壓下率達(dá)到53%時(shí)，晶界已經(jīng)變得模糊不清。由圖2d、圖2f和圖2h可以發(fā)現(xiàn)：隨著冷軋壓下率的增加，界面層逐漸變薄，當(dāng)壓下率為23%時(shí)，界面層局部出現(xiàn)少量斷裂現(xiàn)象；當(dāng)壓下率達(dá)到38%時(shí)，界面層斷裂現(xiàn)象加劇，界面處有斷斷續(xù)續(xù)的裂紋存在，部分區(qū)域兩種金屬直接接觸；當(dāng)壓下率達(dá)到53%時(shí)，界面層破碎現(xiàn)象非常嚴(yán)重，界面層厚度急劇降低，界面處有大量的裂紋存在，很多區(qū)域界面層處兩邊的鈦鋁兩種金屬直接接觸。

圖2　不同冷軋壓下率鈦鋁復(fù)合板的金相和SEM照片

界面的變化也反映了兩種母材結(jié)合方式的轉(zhuǎn)變，鑄軋態(tài)鈦鋁復(fù)合板的結(jié)合方式主要是冶金結(jié)合，而隨著壓下率的增加，冶金結(jié)合層被逐漸破壞，鈦鋁復(fù)合板的結(jié)合方式由冶金結(jié)合先變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合加上機(jī)械嚙合，最后變?yōu)闄C(jī)械嚙合[11-12]。

2.1.3斷口形貌分析

由拉伸后的斷口形貌可以進(jìn)一步看出冷軋對(duì)鑄軋鈦鋁復(fù)合板的影響，冷軋前后鈦鋁的斷口形貌如圖3所示。圖3a和圖3b分別是鑄軋態(tài)和壓下率為53%的軋制態(tài)的斷口鋁側(cè)形貌，圖3c和圖3d分別是鑄軋態(tài)和壓下率為53%的軋制態(tài)的斷口鈦側(cè)形貌。由圖3可知：斷口都是韌性斷裂。未冷軋的斷口有大量的等軸韌窩，韌窩深且均勻；壓下率為53%的斷口韌窩相對(duì)較淺，韌窩形狀的變化進(jìn)一步說明了冷軋對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的影響。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1抗拉強(qiáng)度和延伸率分析

為檢測(cè)不同壓下率對(duì)鈦鋁復(fù)合板力學(xué)性能的影響，對(duì)不同厚度鈦鋁復(fù)合板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)得到的鈦鋁復(fù)合板的力學(xué)性能如表3所示。

圖3　冷軋前后鈦鋁斷口形貌

冷軋壓下率/%抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa延伸率/%01721293423215186163824121513532532325

由表3可以看出：隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增加，而延伸率逐漸降低。鑄軋態(tài)鈦鋁復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為172 MPa和34%，介于母材TA1工業(yè)純鈦(抗拉強(qiáng)度為125 MPa，延伸率為38%)和8011鋁合金(抗拉強(qiáng)度為240 MPa，延伸率為12%)之間，并且更接近于鋁板，這是因?yàn)閺?fù)合板的抗拉強(qiáng)度和延伸率必然介于兩種母材之間，且與厚度較大的金屬板比較接近[13]。當(dāng)壓下率從0%增加到23%時(shí)，抗拉強(qiáng)度從172 MPa增加到215 MPa,延伸率從34%降低到16%，材料在增加強(qiáng)度的同時(shí)仍然有一定的塑性。隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板強(qiáng)度緩慢增加，塑性降低，當(dāng)壓下率為53%時(shí)，抗拉強(qiáng)度升高到253 MPa，而延伸率降低到5%，復(fù)合板的塑性已經(jīng)不能滿足鈦鋁復(fù)合板的實(shí)際應(yīng)用需求。

抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著壓下率的增加而增加，主要是由復(fù)合板的變形強(qiáng)化引起的。結(jié)合不同壓下率的微觀組織可知：隨著壓下率的增加，基體晶粒尺寸逐漸變小，復(fù)合板的強(qiáng)度增加，塑性降低，并且隨著變形率的增加，鈦鋁復(fù)合板的屈服強(qiáng)度升高得更快，即復(fù)合板的屈強(qiáng)比增加。

鈦鋁復(fù)合板在使用時(shí)大都要求有一定的塑性，由不同壓下率復(fù)合板強(qiáng)度的增加值和延伸率的降低值可知，鑄軋法生產(chǎn)的鈦鋁復(fù)合板不適合大變形率的冷軋，為了使鑄軋法生產(chǎn)的鈦鋁復(fù)合板能滿足各種厚度的需求，需要進(jìn)一步研究熱軋或者退火處理對(duì)其力學(xué)性能的影響[14-15]。

2.2.2顯微硬度分析

冷軋對(duì)復(fù)合板界面層附近元素的分布以及微觀結(jié)構(gòu)的影響可以用顯微硬度表現(xiàn)出來。圖4為不同壓下率鈦鋁復(fù)合板界面層附近顯微硬度變化的趨勢(shì)圖，其中負(fù)值為鋁層到界面層距離，正值為鈦層到界面層距離。

從圖4中可以明顯看出：隨著壓下率的增大，鈦鋁復(fù)合板界面層附近的顯微硬度總體呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谲堉七^程中產(chǎn)生了加工硬化的現(xiàn)象，壓下率越大，加工硬化的現(xiàn)象越明顯，使界面層兩側(cè)母材的顯微硬度越大。同時(shí)，隨著鋁層到界面層距離的增大，顯微硬度逐漸減小，隨著鈦層到界面層距離的增大，顯微硬度也隨之增大，且兩種金屬的顯微硬度在減小和增大時(shí)都有一個(gè)過渡區(qū)間，這在冷軋后的鈦側(cè)表現(xiàn)尤為明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殁佷X兩種金屬在鑄軋時(shí)，鈦原子和鋁原子在結(jié)合處相互擴(kuò)散，在界面層附近的鋁層有鈦原子的存在，使得界面層附近的鋁層硬度升高，在結(jié)合處鈦層中有鋁原子的存在，使得硬度降低。

圖4　不同冷軋壓下率鈦鋁復(fù)合板界面層附近顯微硬度變化

3　結(jié)論

(1)隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板母材晶粒由等軸狀變成扁平狀，晶界逐漸模糊不清。當(dāng)壓下率為23%時(shí)，界面層有少量裂紋存在；當(dāng)壓下率達(dá)到38%時(shí)，界面層斷裂現(xiàn)象開始加?。划?dāng)壓下率達(dá)到53%時(shí)，界面層有大量的裂紋存在，兩種金屬的主要結(jié)合方式由冶金結(jié)合變?yōu)闄C(jī)械嚙合。隨著冷軋壓下率的增加，金屬的斷口韌窩也由深逐漸變淺。

(2)隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度的增加和延伸率的降低都是先快后慢，當(dāng)壓下率為38%時(shí)，抗拉強(qiáng)度從未冷軋的172 MPa增加到241 MPa,延伸率從34%降低到13%，鈦鋁復(fù)合板具有良好的綜合性能。

(3)隨著冷軋壓下率的增加，鈦鋁復(fù)合板界面層及其附近的顯微硬度逐漸增加，且在緊鄰界面層處兩種金屬的顯微硬度由于擴(kuò)散作用都有一段過渡區(qū)間。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51371077)；河南省重大科技專項(xiàng)基金項(xiàng)目(102105000007)

史士欽(1989-),男,河南商丘人,碩士生;王文焱(1963-),男,河南洛陽人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橛猩饘俨牧系?

2016-06-22

1672-6871(2017)01-0001-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.001

TG335.12

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