鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接技術(shù)研究進展

田曉東，王小苗，丁 旭，彭藝杰，周仁健，羅海龍

(1．長安大學(xué)，陜西 西安 710064)(2．西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077)(3．西安市輕金屬爆炸復(fù)合材料工程研究中心，陜西 西安 710086)

鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好及高溫力學(xué)性能優(yōu)異的特點，在航空航天、艦船等行業(yè)被廣泛使用，但其價格較高[1,2]。鋁合金密度小，作為主要的輕量化結(jié)構(gòu)材料，是制造飛行器蒙皮的主要材料，在生產(chǎn)工藝和價格上較其他合金有明顯優(yōu)勢，但其耐腐蝕性能較差，易發(fā)生大氣腐蝕降低飛行器蒙皮的使用壽命[3]。同時，飛行器在稠密大氣中超音速飛行時，受激波與機體間高溫壓縮氣體的加熱和機體表面與空氣強烈摩擦的影響，飛行器蒙皮的溫度隨馬赫數(shù)的提高而急劇上升，超過了鋁合金的極限使用溫度，使其強度大大削弱。因此將二者性能有效結(jié)合起來具有重要意義。但是，鈦、鋁之間的性能差異較大，直接復(fù)合具有較大的難度。爆炸焊接又稱爆炸復(fù)合，是以炸藥為能源進行金屬復(fù)合的方法，可實現(xiàn)300余種金屬材料的復(fù)合，且50余種金屬復(fù)合板已投入使用[4,5]。

本文總結(jié)近年來鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接工藝、結(jié)合界面組織及其力學(xué)性能的研究進展，并指出鈦/鋁復(fù)合板的重點發(fā)展方向，以期為推動鈦/鋁復(fù)合板在我國航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 鈦/鋁復(fù)合板的爆炸焊接工藝

圖1為鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接示意圖。均勻鋪設(shè)在覆板(鈦板)上的炸藥引燃后，產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為覆板的動能，覆板與基板(鋁板)發(fā)生高速傾斜碰撞，碰撞點產(chǎn)生金屬射流清除金屬表面的氧化膜及吸附層，潔凈的金屬表面在高溫、高壓作用下產(chǎn)生塑性變形、原子擴散及熔化等現(xiàn)象，基覆板產(chǎn)生復(fù)合形成鈦/鋁復(fù)合板[6-8]。

圖1 鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of explosion welding of Ti/Al clad plate

鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接通常采用邊部中心起爆、基覆板平行法安裝[9-11]，以減少因氣體殘留導(dǎo)致結(jié)合界面處產(chǎn)生孔洞等缺陷，避免起爆點附近產(chǎn)生過熔現(xiàn)象而影響復(fù)合板質(zhì)量。根據(jù)爆炸系統(tǒng)的狀態(tài)，爆炸焊接工藝參數(shù)可分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)指爆炸前系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的參數(shù)，主要包括炸藥種類、質(zhì)量比R、安裝形式及間距等。動態(tài)參數(shù)指爆炸時間段內(nèi)的參數(shù)，主要包括炸藥爆炸速度Vd、碰撞速度Vp、碰撞點移動速度Vc及碰撞角β等。動態(tài)參數(shù)由靜態(tài)參數(shù)決定，通過動態(tài)參數(shù)可計算出理論爆炸焊接窗口[12,13]。

1.1 靜態(tài)參數(shù)

1.1.1 炸藥種類及質(zhì)量比

炸藥是影響爆炸焊接鈦/鋁復(fù)合板質(zhì)量的決定性因素之一[14]。炸藥種類的選擇取決于基覆板材料的聲速，為獲得穩(wěn)定的再入射流使基覆板結(jié)合界面產(chǎn)生自清理，炸藥爆炸速度應(yīng)小于基板及覆板材料的體積聲速[4,12]。鈦、鋁的體積聲速分別為4786、5370 m/s，因此多選用爆炸速度Vd為1500～2700 m/s的中低速炸藥。表1為近年不同文獻中鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接主要工藝參數(shù)，炸藥多選用中低速的銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥(加入食鹽可降低爆炸速度)。

質(zhì)量比R計算式如下：

(1)

式中：ρ0為炸藥密度，δ0為炸藥厚度，ρf為覆板密度，δf為覆板厚度。R增大導(dǎo)致碰撞速度增加，當(dāng)碰撞速度大于爆炸焊接窗口下限碰撞速度Vpmin時，基覆板界面發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生復(fù)合；R增大則爆炸載荷增大，有利于基覆板發(fā)生充分塑性變形增加界面結(jié)合強度，但R過大時基覆板劇烈碰撞會釋放大量熱能，導(dǎo)致鋁側(cè)發(fā)生熔化，使結(jié)合界面形成熔化層，降低界面結(jié)合強度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，基覆板間距相同時，隨質(zhì)量比R增大結(jié)合界面由波狀結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槿刍瘜咏Y(jié)合；基覆板間距不同時，隨著質(zhì)量比與基覆板間距比值的增大，結(jié)合界面轉(zhuǎn)變過程為：直線結(jié)合→波狀結(jié)合→熔化層結(jié)合。

1.1.2 基覆板間距

基覆板間距為爆炸時覆板加速提供空間。Stivers等人[26]研究表明，基覆板間距h與炸藥厚度及覆板厚度有關(guān)，計算式為：

h=0.2(δ0+δ1)

(2)

據(jù)式(2)計算得到基覆板間距，再結(jié)合經(jīng)驗校正，所得復(fù)合板結(jié)合界面往往為波狀結(jié)合。表1中基覆板間距與式(2)計算結(jié)果相近的爆炸焊接試驗，其界面結(jié)合方式均為波狀結(jié)合[16-18]。

1.2 動態(tài)參數(shù)

碰撞速度Vp、碰撞點移動速度Vc及碰撞角β是爆炸焊接中主要的動態(tài)參數(shù)，三者間關(guān)系為：

(3)

任取其中2個參數(shù)可在同一平面內(nèi)形成可焊性區(qū)域，即爆炸焊接窗口，一般選取Vc與β計算爆炸焊接窗口。

爆炸焊接窗口由4個邊界定義，如圖2所示。為確保金屬射流的形成，Abrahamson等人[27]認為Vcmax應(yīng)為碰撞角的函數(shù)，右邊界Vcmax計算式如下：

(4)

左邊界為爆炸焊接界面波狀結(jié)合與直線結(jié)合的分界點。為確保形成良好的波狀結(jié)合界面，碰撞點移動速度應(yīng)大于Vcmin，Vcmin計算式如下[28]：

表1 不同文獻中鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接工藝參數(shù)

(5)

式中：Re為雷諾系數(shù)(鈦/鋁復(fù)合板Re=10.6[13])；Hvp為基板維氏硬度；Hvf為覆板維氏硬度；ρp為基板密度，kg/m3；ρf為覆板密度，kg/m3。

下邊界Vpmin為碰撞點的沖擊壓力大于材料的屈服應(yīng)力時的最小碰撞速度，以保證結(jié)合界面產(chǎn)生塑性變形，計算式如下[29]：

(6)

式中：Rm為材料抗拉強度，Pa；ρ為材料密度，kg/m3。

上邊界Vpmax為防止爆炸焊接時結(jié)合界面出現(xiàn)熔化層的最大碰撞速度，計算式如下[30]：

(7)

式中：N為經(jīng)驗常數(shù), 0.062；Tm為覆板熔化溫度，℃；C為覆板體積聲速，m/s；Vc為碰撞點移動速度(當(dāng)采用平行法放置時，Vc為炸藥爆炸速度),m/s；K為覆板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；hf為覆板厚度，m；Cp為覆板的比熱容，J/(kg·℃)。

以文獻[13]中TA2/2Al2復(fù)合板動態(tài)工藝參數(shù)計算爆炸焊接窗口，結(jié)果如圖2所示。研究表明，在爆炸焊接窗口內(nèi)選取動態(tài)工藝參數(shù)，所得復(fù)合板為波狀結(jié)合且無明顯缺陷，滿足生產(chǎn)使用要求。因此深入研究鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接窗口是鈦/鋁復(fù)合板研究的重要方向，選取合理的動態(tài)工藝參數(shù)對獲得高質(zhì)量的鈦/鋁復(fù)合板具有重要意義。

圖2 TA2/2Al2復(fù)合板爆炸焊接窗口Fig.2 TA2/2Al2 clad plate explosion welding window

綜上所述，采用邊部中心起爆、基覆板平行法安裝方式制備鈦/鋁復(fù)合板時，動態(tài)工藝參數(shù)應(yīng)在爆炸焊接窗口內(nèi)，炸藥選中低速的銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥，質(zhì)量比R在0.96左右，基覆板間距為h=0.2(δ0+δ1)。

2 鈦/鋁復(fù)合板的界面組織及力學(xué)性能

2.1 鈦/鋁復(fù)合板的界面組織

2.1.1 結(jié)合界面波形

鈦/鋁復(fù)合板界面結(jié)合方式可分為直線結(jié)合、波狀結(jié)合與熔化層結(jié)合，如圖3所示[16]，其中波狀結(jié)合復(fù)合板結(jié)合界面總面積最大，結(jié)合狀態(tài)最佳[26,31]。結(jié)合界面波形主要與碰撞速度Vc有關(guān)，當(dāng)碰撞速度小于Vcmin時為直線結(jié)合，介于Vcmin與Vcmax之間時為波狀結(jié)合，大于Vcmax時為熔化層結(jié)合。此外，朱錫等人[31]研究了材料性能對結(jié)合界面波形的影響，結(jié)果表明，在爆炸載荷的作用下性能相同或近似材料的塑性變形能力幾乎相同，復(fù)合板結(jié)合界面為對稱的波狀結(jié)合，反之則為非對稱的波狀結(jié)合。鈦/鋁復(fù)合板的結(jié)合界面通常為非對稱的波狀結(jié)合。

圖3 鈦/鋁復(fù)合板不同結(jié)合方式的界面形貌[16]Fig.3 Interface morphologies of Ti/Al clad plate with different bonding modes:(a)straight joint; (b)wave joint; (c)melting layer bonding

表征波形的主要參數(shù)是波長和波高。已有研究表明，隨距起爆點距離的增加波長和波高逐漸增大[32]，隨質(zhì)量比R的增大波長和波高也是逐漸增大[17,18]。復(fù)合板爆炸焊接過程中，炸藥爆炸由非穩(wěn)定轟炸向穩(wěn)定轟炸過渡，導(dǎo)致爆炸載荷逐漸變大，而且，距起爆點越遠基覆板間震動越劇烈，基覆板間碰撞載荷增大，從而使波長、波高逐漸變大。

2.1.2 結(jié)合界面的擴散層和金屬間化合物

復(fù)合板爆炸焊接過程中，結(jié)合界面存在的化學(xué)成分差異會產(chǎn)生元素擴散，適量的元素擴散會提高復(fù)合板的結(jié)合強度，但過度的元素擴散會導(dǎo)致結(jié)合界面生成鈦/鋁金屬間化合物，影響復(fù)合板的結(jié)合強度[12]。對不同學(xué)者進行的爆炸焊接后鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面形成的金屬間化合物進行了匯總，見表2。所形成的化合物通常有Ti3Al、TiAl3、TiAl2、TiAl等。Kattner等人[42]從熱力學(xué)角度分析了Ti-Al相圖，研究認為TiAl3、Ti3Al、TiAl為固態(tài)鈦與液態(tài)鋁反應(yīng)生成，高溫條件下液態(tài)鋁與α-Ti經(jīng)共晶反應(yīng)生成TiAl或α-Ti經(jīng)共析反應(yīng)生成TiAl與Ti3Al，TiAl3由液態(tài)鋁與α-Ti經(jīng)一系列反應(yīng)生成，其中生成TiAl3的熱力學(xué)條件優(yōu)于生成TiAl與Ti3Al。從圖4所示鈦/鋁金屬間化合物自由能曲線[43]可以看出，TiAl3、Ti3Al、TiAl 3種化合物中TiAl3的形成自由能最低。TiAl2分為高溫下h-TiAl2相與低溫下r-TiAl2相，h-TiAl2是以TiAl為初始相與液態(tài)鋁經(jīng)固液反應(yīng)生成，r-TiAl2是由Ti2Al5經(jīng)共析反應(yīng)生成。

爆炸焊接能量由炸藥提供，炸藥爆炸速度會影響鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面金屬間化合物的生成。由表2可知，在低爆炸速度(1900～1950 m/s)下結(jié)合界面主要生成TiAl3、Ti3Al、TiAl2和TiAl化合物；當(dāng)爆炸速度為2200 m/s時，結(jié)合界面主要生成TiAl3、TiAl2和TiAl化合物；在高爆炸速度(4200～4500 m/s)下結(jié)合界面主要生成TiAl3和TiAl2。這是由于結(jié)合界面處溫度隨爆炸速度的增大而升高，固態(tài)鈦或TiAl與液態(tài)鋁經(jīng)固液反應(yīng)轉(zhuǎn)變成TiAl3及TiAl2。

表2 爆炸焊接后鈦/鋁復(fù)合板界面形成的金屬間化合物

圖4 鈦鋁金屬間化合物自由能曲線[43]Fig.4 Free energy curves of Ti-Al intermetallic compounds

眾多學(xué)者[20-23,25,33,34,39-41]對鈦/鋁復(fù)合板進行了630～650 ℃熱處理，研究探索其結(jié)合界面微觀組織演變。結(jié)果表明，熱處理后的鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面僅生成TiAl3連續(xù)層，這是由于Ti3Al形成自由能最低，且生成TiAl3的界面能增加最低，因此在結(jié)合界面生成TiAl3的幾率最大，熱處理后復(fù)合板結(jié)合界面僅有TiAl3存在。

2.2 鈦/鋁復(fù)合板力學(xué)性能和失效機制

鈦/鋁復(fù)合板的力學(xué)性能參數(shù)通常有界面硬度、彎曲性能、抗剪切強度、抗拉強度等。鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面處硬度為1.421～2.499 GPa[16,17,24,32,36]，與爆炸焊接導(dǎo)致的加工硬化程度有關(guān)，也與爆炸焊接時結(jié)合界面處溫度快速上升和下降導(dǎo)致的細晶細化作用有關(guān)[7,12,16,24]。鈦/鋁復(fù)合板抗彎強度通?？蛇_235～288 MPa，且彎曲至160°～180°結(jié)合界面不出現(xiàn)分層[7,12,15,17,19,22]。其抗剪切強度主要由結(jié)合界面原子擴散和波形決定，隨工藝不同在72.1～151.2 MPa[12,16-18]之間；經(jīng)過(440～450)℃/(2～3)h熱處理后，界面抗剪切強度通常為80 MPa左右。在基覆板之間增加過渡層(通常為1060鋁合金)，有助于提高界面抗剪切強度[18]。鈦/鋁復(fù)合板的抗拉強度在165.5～430.3 MPa之間，與基覆板材料牌號、厚度及爆炸焊接工藝有關(guān)；延伸率約為20%[7,15-19,25]。鈦/鋁復(fù)合板的拉伸斷口為典型的韌性斷裂[12,16,18,35,38]，失效通常是由于局部熔化區(qū)內(nèi)金屬間化合物在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂紋，隨應(yīng)變量的增大，裂紋變大并延伸至鈦側(cè)、鋁側(cè)，使鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面發(fā)生分層，最后導(dǎo)致鋁側(cè)、鈦側(cè)相繼斷裂。

3 結(jié) 語

國內(nèi)外有關(guān)鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接的研究已取得一定的成果。按照現(xiàn)有研究成果，炸藥可選用銨油混合炸藥或巖石粉狀乳化炸藥(加工業(yè)鹽)，質(zhì)量比R為0.96左右，起爆方式為邊部中心起爆，基覆板采用平行法安裝，基覆板間距為h=0.2(δ0+δ1)；動態(tài)工藝參數(shù)在爆炸焊接窗口內(nèi)可減少鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面金屬間化合物的產(chǎn)生，有利于得到高界面結(jié)合質(zhì)量的鈦/鋁復(fù)合板。今后，鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊接工藝研究應(yīng)針對當(dāng)前爆炸焊接中存在的問題，在以下方面加強研究。

(1)鈦/鋁爆炸焊接產(chǎn)品形狀的研究主要集中在板/板的簡單復(fù)合，后續(xù)應(yīng)充分發(fā)揮爆炸焊接的優(yōu)勢，拓寬鈦/鋁爆炸焊接的形狀，如管與管、板與管等。

(2)為響應(yīng)國家綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，研究人員應(yīng)加強研制新型炸藥，減少爆炸焊接對環(huán)境的污染，提高能源利用率。

(3)爆炸焊接技術(shù)具有不可逆性、瞬時性及危險性的特點，且工藝參數(shù)通常為經(jīng)驗公式與實際操作經(jīng)驗共同決定，為獲得最優(yōu)的爆炸焊接工藝須進行多次試驗，從而增加試驗周期，造成材料及人力的浪費，增加生產(chǎn)成本，因此應(yīng)不斷完善爆炸焊接數(shù)值模擬理論，為復(fù)合材料爆炸焊接工藝發(fā)展提供強有力的支撐。