鈦/鋁爆炸焊界面形成機(jī)制數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證

李巖, 李艷彪，劉翠榮, 任金鎖，趙瑞

(1.太原科技大學(xué)，太原 030024；2.山西陽(yáng)煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司，太原 030032)

0 前言

爆炸焊是集動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科交叉的特種焊接方法，其具有高效、低成本、適用性廣的特點(diǎn)，在層狀金屬?gòu)?fù)合材料制造領(lǐng)域被應(yīng)用廣泛[1-2]。爆炸焊從發(fā)現(xiàn)至今已有70余年的歷史，目前有近260種同種或異種金屬或非金屬?gòu)?fù)合材料可以用爆炸焊技術(shù)制備[3]，爆炸焊研究一直沒有退出人們的視野。爆炸焊界面是異種材料成分、組織、性能的過(guò)渡區(qū)，是決定復(fù)合材料使役壽命的關(guān)鍵部位[4-5]。爆炸焊在高溫、高壓下瞬間完成，基于目前的試驗(yàn)條件，難以控制并實(shí)時(shí)觀測(cè)到爆炸焊成形瞬態(tài)過(guò)程。爆炸焊界面瞬態(tài)形成機(jī)理及其對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量的影響等仍未能得到令人滿意的解釋。

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展和數(shù)值算法的進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)為再現(xiàn)爆炸焊瞬態(tài)成形過(guò)程提供了可能[6]。利用數(shù)值模擬技術(shù)從爆炸焊成形特征出發(fā)，分析爆炸焊結(jié)合區(qū)特征，對(duì)制備高質(zhì)量的爆炸焊復(fù)合材料有重要的理論和工程實(shí)踐意義。

目前，在關(guān)于爆炸焊的數(shù)值模擬中，通常是基于一維格尼公式將爆炸焊過(guò)程看作高速碰撞問(wèn)題處理[7-9]。實(shí)際的爆炸焊起爆后，覆板被爆轟波折彎，與基板發(fā)生傾斜碰撞?；谝痪S格尼公式的高速傾斜碰撞模型不能在現(xiàn)爆轟波傳播過(guò)程和覆板動(dòng)態(tài)折彎的過(guò)程。因此，為了更加真實(shí)地再現(xiàn)爆炸焊瞬態(tài)成形過(guò)程，文中建立由炸藥、覆板、基板、地基4部分組成的爆炸焊模型，以重現(xiàn)完整的爆炸焊成形過(guò)程。

文中以爆炸焊制備鈦/鋁復(fù)合板為例，利用ANSYS/AUTODYN非線性顯式動(dòng)力學(xué)軟件建立了鈦/鋁爆炸焊2D數(shù)值仿真模型，應(yīng)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)和任意拉格朗日-歐拉法(ALE)再現(xiàn)了鈦/鋁復(fù)合板爆炸瞬態(tài)成形特征。進(jìn)行鈦/鋁爆炸焊試驗(yàn)，并利用先進(jìn)材料分析手段，表征分析爆炸焊界面特征。數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析相結(jié)合，揭示鈦/鋁爆炸焊界面的形成機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

以1 mm TA1鈦板為復(fù)層，3 mm Al-1060鋁板為基層，用爆炸焊方法制備鈦/鋁層狀復(fù)合材料，材料成分見表1和表2。爆炸焊采用平行安裝的方式，選用膨化硝銨混合炸藥，密度790 kg/mm3，理論爆炸速度2 400 m/s，炸藥厚度5 mm，基板-覆板間隙4 mm，采用邊緣引爆。

表1 TA1的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 Al-1060的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

采用慢走絲線切割沿爆轟波傳播的方向切取鈦/鋁復(fù)合材料橫截面來(lái)制備金相試塊。在基恩士(VHX-2000)超景深顯微鏡下觀察鈦/鋁復(fù)合材料界面結(jié)合形貌。蔡司SIGMA掃描電鏡(SEM)，配牛津能譜儀(EDS)對(duì)界面元素進(jìn)行分析。采用電解拋光制取界面EBSD試樣，牛津EBSD表征，Channel 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，利用HV-1000B顯微硬度測(cè)試儀沿著垂直于復(fù)合板界面方向，測(cè)試界面附近顯微硬度值。

2 數(shù)值模擬建模

運(yùn)用ANSYS/AUTODYN建立鈦/鋁爆炸焊過(guò)程2D計(jì)算模型。圖1是鈦/鋁爆炸焊2D數(shù)值仿真模型，模型包括炸藥20 mm×5 mm、覆板(Ti)20 mm×1 mm、基板(Al)20 mm×3 mm、地基25 mm×8 mm，基板-覆板間隙4 mm，設(shè)置邊緣起爆(起爆點(diǎn))。在基板(Al)上表面取等距離間隔的特征點(diǎn)1～6，在覆板(Ti)下表面取等距離間隔的特征點(diǎn)7～12。地基采用固定邊界條件，其它物體設(shè)置為自由邊界條件。

圖1 鈦/鋁爆炸焊2D模型

模擬中炸藥選用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程，基板和覆板均選用Johnson-Cook本構(gòu)方程和Mie-Gruneisen狀態(tài)方程[10]。選用SPH法模擬基板和覆板，選用ALE模擬炸藥和地基。

SPH法粒子的大小對(duì)模擬結(jié)果及可視化分析有重要的影響，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和參考同類文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[7]，在該次模擬中，SPH法粒子的大小Δr設(shè)置為20 μm，模型中共包含56 250個(gè)粒子，ALE網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1 mm。炸藥和材料的相關(guān)參數(shù)分別見表3[10]和表4[10]。

表3 炸藥的計(jì)算參數(shù)

表4 材料的狀態(tài)方程和本構(gòu)模型參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 爆炸焊瞬態(tài)成形及界面形態(tài)

圖2是鈦/鋁復(fù)合板爆炸焊成形過(guò)程。圖2a是初始安裝t=0時(shí)刻，炸藥未起爆，鈦板和鋁板平行放置；圖2b是爆轟t=1.04×10-6s時(shí)刻，當(dāng)炸藥從左端起爆后，產(chǎn)生爆轟波，爆轟波向右傳播，爆轟產(chǎn)物急劇向四周膨脹，爆轟波掠過(guò)的瞬間，覆板受到突躍的強(qiáng)激波作用，覆板在爆轟波的作用下被折彎，通過(guò)間隙加速后，與基板發(fā)生傾斜碰撞，在結(jié)合區(qū)未見界面處有射流產(chǎn)生，且結(jié)合界面為平直狀；隨著爆轟波的傳播，碰撞點(diǎn)不斷向前推進(jìn)，在t=3.23×10-6s時(shí)刻，如圖2c所示，界面處出現(xiàn)射流，在結(jié)合面形成波形結(jié)合。由圖2的模擬結(jié)果知，在爆炸焊中，射流并未在基板、覆板初始碰撞的時(shí)刻產(chǎn)生，而是隨著爆炸復(fù)合進(jìn)行才出現(xiàn)射流，分析其主要原因?yàn)椋罕ê冈囼?yàn)采用平行安裝的復(fù)合方式，初始時(shí)刻，基板和覆板平行放置，無(wú)初始安裝角，隨著爆炸焊進(jìn)行，撞擊角達(dá)到一定的范圍時(shí)射流會(huì)產(chǎn)生。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11-12]的論述相一致。

圖2 爆炸焊過(guò)程模擬

圖3是沿爆轟波傳播的方向，起爆點(diǎn)、靠近起爆點(diǎn)、遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)3個(gè)位置鈦/鋁界面形貌。對(duì)比試驗(yàn)與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在起爆點(diǎn)附近(a位置)鈦板和鋁板沒有實(shí)現(xiàn)復(fù)合，下文將詳細(xì)分析未復(fù)合原因。在離起爆點(diǎn)不遠(yuǎn)的位置(b位置)鈦/鋁界面呈現(xiàn)平直形貌，無(wú)裂紋、氣孔等冶金缺陷；在離起爆點(diǎn)更遠(yuǎn)的位置(c位置)，鈦/鋁界面呈現(xiàn)波狀形貌，圖4是爆炸焊界面的波紋形貌。界面結(jié)合形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果相吻合，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。圖5是速度場(chǎng)云圖，模擬結(jié)果表明撞擊區(qū)射流的噴射速度最高可達(dá)7 000 m/s，射流極高的噴射速度為清除待結(jié)合表面的氧化薄膜和污漬，瞬間的清洗形成了新鮮的表面，為原子間的結(jié)合提供了必要的條件。

圖3 試驗(yàn)與模擬鈦/鋁爆炸焊界面形態(tài)

圖4 爆炸焊界面的波紋形貌

圖5 速度場(chǎng)云圖

結(jié)合圖1和圖2分析可以看出，基板、覆板碰撞初期并未有射流產(chǎn)生，界面為平直狀，隨著復(fù)合的進(jìn)行，碰撞角變大，射流產(chǎn)生并出現(xiàn)波形結(jié)合界面，這一點(diǎn)恰好驗(yàn)證了Bahrani等人提出的射流侵徹機(jī)理[12]，即射流可以看作是低粘性流體，在高壓的侵徹作用下，材料發(fā)生變形，形成凸起，凸起不斷升高俘獲射流，碰撞點(diǎn)不斷向前推進(jìn)，形成下一個(gè)波形，如此往復(fù)形成連續(xù)性的波狀界面。

3.2 爆炸焊界面塑性變形

圖6是鈦/鋁爆炸焊成形某時(shí)刻有效塑性應(yīng)變?cè)茍D。在鈦/鋁結(jié)合區(qū)界面產(chǎn)生了一條明顯的塑性變形帶，且塑性應(yīng)變帶呈現(xiàn)波狀結(jié)合形態(tài)。模擬結(jié)果表明，鈦/鋁爆炸焊界面產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形。模擬結(jié)果與EBSD測(cè)試得到的鈦/鋁爆炸焊界面應(yīng)變結(jié)果一致，如圖7所示。

圖6 有效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖7 鈦/鋁界面EBSD應(yīng)變圖

圖8是特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9爆炸成形過(guò)程塑性應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線。在t=2.2×10-6s時(shí)刻，特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9有效塑性應(yīng)變值突然增大然后趨于平穩(wěn)，這是由于覆板上炸藥所產(chǎn)生的爆轟波使碰撞點(diǎn)產(chǎn)生了高的速度和高的壓力，瞬時(shí)極高的壓力和速度在界面處產(chǎn)生了大的塑性變形。隨時(shí)間增加，有效塑性應(yīng)變趨于平穩(wěn)，證實(shí)了爆炸沖擊產(chǎn)生的塑性變形是不可逆的。另外，鈦板下表面特征點(diǎn)9最大有效塑性應(yīng)變值為2.2，鋁板上表面特征點(diǎn)3最大有效塑性應(yīng)變值為2.8，這是由于鋁比鈦軟，更容易產(chǎn)生變形造成的。

圖8 特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9有效塑性變形—時(shí)間曲線

圖9是鈦/鋁界面顯微硬度分布圖。沿鈦/鋁復(fù)合板界面垂直的方向，界面附近顯微硬度增大，這是由于在爆轟波的作用下，2種材料待結(jié)合界面高速撞擊，產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形，這一現(xiàn)象由模擬結(jié)果可以解釋。界面位置鈦的硬度最大，可達(dá)到210 HV，比母材140 HV增大70%，鋁側(cè)最大硬度為60 HV，比母材33 HV增大81%。說(shuō)明鋁側(cè)產(chǎn)生的塑性變形更大，這與特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9最大有效塑性應(yīng)變值是一致的。

圖9 爆炸焊鈦/鋁界面附近顯微硬度

3.3 爆炸焊界面晶粒細(xì)化

圖10是鈦/鋁爆炸焊過(guò)程中某一時(shí)刻界面區(qū)壓力云圖，模擬結(jié)果顯示，撞擊區(qū)域的壓力最大，且壓力場(chǎng)呈不對(duì)稱分布，壓力場(chǎng)不對(duì)稱分布與材料自身的物理性質(zhì)有關(guān)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)同種材料爆炸復(fù)合時(shí)，撞擊區(qū)壓力呈對(duì)稱分布[7]。撞擊面要產(chǎn)生射流所需的壓力必須超過(guò)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，材料的動(dòng)態(tài)屈服極限為材料靜態(tài)屈服強(qiáng)度的10～12倍[13-14]。在該次模擬中，撞擊區(qū)最大壓力為29.8 GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦、鋁2種材料的動(dòng)態(tài)屈服極限，因此在撞擊界面位置產(chǎn)生了射流。撞擊區(qū)壓力遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限也可以解釋界面產(chǎn)生大塑性變形的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖10 壓力分布云圖

圖11是特征點(diǎn)在整個(gè)爆炸焊過(guò)程中壓力隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知，沿著爆轟波傳播的方向，起爆位置特征點(diǎn)1和特征點(diǎn)7位置壓力為零。起爆點(diǎn)位置由于炸藥稀疏波作用，炸藥引爆后要在一定時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到穩(wěn)定的爆轟[15-16]。特征點(diǎn)1位置壓力極低與起爆點(diǎn)位置炸藥未能達(dá)到穩(wěn)定爆轟有關(guān)。由圖3鈦/鋁爆炸焊界面可知，在起爆點(diǎn)位置模擬和試驗(yàn)結(jié)果均顯示，起爆點(diǎn)位置界面未復(fù)合。起爆點(diǎn)特征點(diǎn)1位置產(chǎn)生的壓力小，爆轟載荷所未能使覆板折彎，從而不能與特征點(diǎn)7發(fā)生撞擊。由此可見，起爆點(diǎn)壓力值較低是爆炸焊邊界效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因。因此，爆炸焊復(fù)合板生產(chǎn)企業(yè)一直沿用在起爆點(diǎn)位置添加黑火金高能炸藥，使邊界部位盡快達(dá)到爆轟穩(wěn)定，以減少爆炸焊邊界效應(yīng)。

圖11 特征點(diǎn)壓力—時(shí)間曲線

根據(jù)圖11，起爆后2.2×10-6s時(shí)刻，特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9的壓力值呈脈沖狀的上升趨勢(shì)，說(shuō)明此刻特征點(diǎn)3和特征點(diǎn)9發(fā)生碰撞，隨后2點(diǎn)壓力曲線重合，說(shuō)明2撞擊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)結(jié)合，2對(duì)撞點(diǎn)壓力由峰值逐漸下降，約0.8×10-6s后，下降到零。隨著爆轟波向前傳播，其他撞擊點(diǎn)壓力—時(shí)間曲線呈現(xiàn)出類似的變化情況，壓力峰值較為接近，達(dá)10 GPa數(shù)量級(jí)，極高的壓力促使待焊接表面原子之間的距離達(dá)到引力范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鈦鋁材料的焊接。

圖12為試驗(yàn)獲得的鈦/鋁爆炸焊界面EBSD晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖，鈦/鋁爆炸焊界面存在明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象。這是由于爆炸焊極高的碰撞壓力，促使原始晶粒破碎而形成的。隨著距界面位置的增加，母材所受的碰撞壓力作用力逐漸減弱，因此，在遠(yuǎn)離界面位置晶粒未發(fā)生細(xì)化，保留原始的形態(tài)。

圖12 鈦/鋁爆炸焊界面EBSD圖像

3.4 爆炸焊界面元素?cái)U(kuò)散

圖13是試驗(yàn)獲得的垂直鈦/鋁爆炸焊界面EDS線掃描圖。鈦/鋁爆炸焊復(fù)合材料界面處，兩元素?cái)U(kuò)散曲線呈現(xiàn)“X”狀，2種原子的含量存在連續(xù)、平穩(wěn)的過(guò)渡，說(shuō)明在爆炸焊過(guò)程中Ti元素和Al元素發(fā)生了互擴(kuò)散，2種金屬達(dá)到了擴(kuò)散冶金結(jié)合。

圖13 鈦/鋁爆炸焊界面元素線掃描

由上述數(shù)值模擬結(jié)果知，在爆炸焊過(guò)程中，覆板在暴轟波作用下，與基板發(fā)生高速傾斜碰撞，界面處于高壓(約10 GPa數(shù)量級(jí))、大塑性變形(有效塑性變形大于2)條件，高壓、大變形消除了待結(jié)合區(qū)表面晶格微觀缺陷，縮小了原子間距，使2原子之間產(chǎn)生鍵合力，有利于界面元素的相互擴(kuò)散。另外，由EBSD試驗(yàn)結(jié)果可以看出爆炸焊界面晶粒細(xì)化，晶界增多，另外，在強(qiáng)烈的外部作用力條件下，爆炸焊界面位置晶粒易產(chǎn)生大量的位錯(cuò)[17]，晶體缺陷處點(diǎn)陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，易于跳躍，而位錯(cuò)和晶界等缺陷位置擴(kuò)散激活能是晶格內(nèi)擴(kuò)散激活能的1/2～1/3，晶界、位錯(cuò)等對(duì)擴(kuò)散起著快速的通道作用[18]，這將加速了鈦、鋁2種元素的互擴(kuò)散。原子的擴(kuò)散，有利于增強(qiáng)原子間的相互結(jié)合力，從而增加2種材料結(jié)合強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)鈦/鋁爆炸焊界面形態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀察結(jié)果相一致，沿爆轟波傳播方向，鈦/鋁復(fù)合板結(jié)合界面由平直結(jié)合向波形結(jié)合轉(zhuǎn)變。起爆點(diǎn)處由于稀疏波的作用，導(dǎo)致起爆點(diǎn)位置壓力較小，出現(xiàn)邊界效應(yīng)。

(2)鈦/鋁爆炸焊界面顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，爆炸焊界面存在加工硬化。模擬結(jié)果表明，炸藥所產(chǎn)生的爆轟波使碰撞點(diǎn)產(chǎn)生高的壓力，撞擊區(qū)壓力值可達(dá)10 GPa數(shù)量級(jí)，在鈦/鋁爆炸焊界面產(chǎn)生明顯的塑性變形帶，解釋了試驗(yàn)中界面顯微硬度測(cè)試結(jié)果。

(3)鈦/鋁爆炸焊界面EBSD測(cè)試結(jié)果表明爆炸焊界面晶粒出現(xiàn)明顯細(xì)化，爆炸焊極高的碰撞壓力，是促使原始晶粒破碎導(dǎo)致晶粒細(xì)化的原因之一。

(4)鈦/鋁爆炸焊界面EDS線掃描表明，鈦、鋁2種元素在結(jié)合區(qū)發(fā)生了明顯的互擴(kuò)散。爆炸焊時(shí)，覆板和基板高速傾斜碰撞，界面處于高壓、大塑性變形條件下，導(dǎo)致界面位錯(cuò)和晶界等缺陷增多，為原子的擴(kuò)散提供了通道，從而使鈦、鋁在界面發(fā)生互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。