軋制和退火對爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板組織和力學(xué)性能的影響

范文杰，朱紹珍，周龍海，王 航

軋制和退火對爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板組織和力學(xué)性能的影響

范文杰，朱紹珍*，周龍海，王 航

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，西安 710201)

采用爆炸-軋制復(fù)合法制備了Ag/Ti復(fù)合板材，研究了軋制和退火對復(fù)合板材力學(xué)性能和結(jié)合界面的顯微組織的影響。結(jié)果表明，爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合材界面出現(xiàn)典型的周期性波狀組織，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm。爆炸焊接復(fù)合板經(jīng)軋制后，波狀復(fù)合界面由于發(fā)生較大的塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槠街苯缑?，且界面上形成不連續(xù)的AgTi擴(kuò)散層。經(jīng)后續(xù)的退火處理后，界面上形成厚度約為20 μm的連續(xù)均勻的擴(kuò)散層。軋制態(tài)的Ag/Ti復(fù)合板經(jīng)退火處理后，板材的強(qiáng)度明顯降低，但是其塑性卻有明顯的增加，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為358 MPa、464 MPa和50.5%。斷口分析表明，軋制態(tài)和退火態(tài)復(fù)合板材斷口中均表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，但退火態(tài)復(fù)合板斷口中韌窩尺寸更大更深，表明其具有更好的塑性。

Ag/Ti復(fù)合板；爆炸焊接；軋制；退火

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，人們對涉及身體健康的衛(wèi)生防菌意識逐漸提高，市場對于抗菌材料的需求不斷增長，特別是日常飲食用抗菌材料得到廣泛關(guān)注。銀及銀合金具有抗菌廣譜、殺菌效率高和不易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點，是一種高效且持久的無機(jī)抗菌劑[1]。銀質(zhì)器具造型優(yōu)美、工藝精良，不僅可以作為高雅的工藝品，也可以作為實用的餐具，具有悠久的使用歷史。但是，銀質(zhì)器具成本較高，難以大規(guī)模推廣使用。

以廉價金屬(如鈦、不銹鋼等)為基體，通過適當(dāng)?shù)墓に囋谄浔砻嫔摄y復(fù)合層，從而制備出復(fù)合材料，該材料不僅可保持銀的抗菌性能，而且還具有基體材料的強(qiáng)度和剛度。目前，銀復(fù)合層的制備多采用電鍍、磁控濺射和等離子噴涂及等方法。Arash等[2]采用電鍍法在不銹鋼表面制備出具有良好抗菌性能的純銀鍍層。劉永紅等[3]先用磁控濺射法在不銹鋼表面生成鍍銀薄膜，再用強(qiáng)流脈沖電子束輻照，在基體表面形成銀抗菌涂層，該涂層對變形鏈球菌具有較強(qiáng)的抗菌效果。胡宇等[4]采用大氣等離子熱噴涂方法在不銹鋼基體上制備了致密的銀基涂層，該涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度達(dá)50 MPa以上?，F(xiàn)有方法制備的銀復(fù)合層較薄，且與基體結(jié)合性差，使用中易被磨損和消耗，不僅影響器具美觀性，而且還會降低其表面的抗菌功效。因此，針對銀質(zhì)餐具的使用環(huán)境，增強(qiáng)銀復(fù)合層與基體的結(jié)合力，并獲得良好的抗菌性和長效性是需解決的關(guān)鍵問題。

爆炸焊接是利用炸藥爆轟能量驅(qū)動金屬板間發(fā)生高速碰撞而實現(xiàn)金屬板之間冶金結(jié)合的焊接方法。Yang等[5]采用爆炸焊接方法在20 mm厚的Q235鋼板上制備出0.2 mm厚高質(zhì)量的銀復(fù)合層。爆炸焊接制備的復(fù)合板較厚，再將其進(jìn)行軋制得到所需厚度板材的方法稱為爆炸-軋制法，該方法結(jié)合了爆炸復(fù)合和軋制復(fù)合的優(yōu)點，適于基復(fù)層較薄的大面積復(fù)合板的生產(chǎn)[6]。趙峰等[7]采用爆炸-軋制法制備了4 mm厚的鈦/鋼復(fù)合板材，并研究了其界面結(jié)合性能。Chen等[8]研究了多道次軋制和退火對爆炸焊接AZ31/6061板材微觀組織和力學(xué)性能的影響。

本文首先采用爆炸焊接方法制備了Ag/Ti復(fù)合板材，對復(fù)合界面的微觀組織進(jìn)行分析，并研究后續(xù)的軋制和退火對板材微觀組織和力學(xué)性能的影響，為實際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 實驗

實驗加工流程如圖1所示，爆炸焊接實驗基板選用厚度為9mm的退火態(tài)純鈦板，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h，復(fù)板選用厚度為1 mm的退火態(tài)純銀板，退火溫度為400 ℃，退火時間為1 h。爆炸復(fù)合之前，采用1000目砂紙對板材待焊接面進(jìn)行打磨，并用無水乙醇將表面清洗干凈。復(fù)板與基板呈平行放置狀態(tài)，復(fù)板上鋪設(shè)30mm厚氨油炸藥，在復(fù)板一端的炸藥上方放置引爆裝置，之后進(jìn)行爆炸焊接。之后采用軋機(jī)將爆炸焊接板坯沿爆轟傳播方向進(jìn)行冷軋，冷軋過程需進(jìn)行中間退火，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h，最終得到厚度為0.5 mm的Ag/Ti復(fù)合板材，其中Ag層厚度為0.05 mm，Ti層厚度為0.45 mm。最后將復(fù)合板材進(jìn)行成品退火處理，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h。此外，為了進(jìn)行對比分析，采用相同軋制和退火工藝將純鈦板從10 mm加工到0.5 mm。

圖1 實驗加工流程圖

沿爆炸或軋制方向在復(fù)合板上取金相試樣，采用腐蝕劑對研磨和拋光后的樣品進(jìn)行侵蝕，先用腐蝕劑對Ti層進(jìn)行侵蝕，腐蝕劑配比為1 mL氫氟酸、4 mL硝酸和5 mL水，之后再對Ag層進(jìn)行侵蝕，腐蝕劑配比為10 mL氨水和10 mL雙氧水，采用LEICA DMi8顯微分析系統(tǒng)觀察其金相組織。采用JSM6460和SU5000掃描電鏡及其配置的能譜分析儀對微觀組織及微區(qū)成分進(jìn)行觀察和分析。采用AG-100kNG材料試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試。

2 結(jié)果與討論

圖2為爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板顯微組織掃描電鏡圖片。從圖2中可以看出，Ag/Ti結(jié)合界面出現(xiàn)周期性的波紋，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm，具有典型的爆炸焊接界面特征，這種復(fù)合界面能夠增加復(fù)合層之間的結(jié)合面積，有效提高界面結(jié)合強(qiáng)度。在爆炸焊接過程中，基板和復(fù)板發(fā)生高速的斜碰撞，駐點附近形成了高溫高壓區(qū)，溫度和壓力急劇的上升使得界面金屬出現(xiàn)了熔化并形成了金屬射流，反復(fù)擾動的射流將侵徹基板與復(fù)板，最終形成波狀界面[9]。

圖2 爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板的微觀組織

圖3為爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板的界面微觀組織及面掃描分析結(jié)果。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，其界面具有漩渦組織特征，結(jié)合圖3(b)和圖3(c)的面掃描分析結(jié)果，少量Ti包裹在Ag基體的漩渦中，這是由于在爆炸瞬間，碰撞區(qū)域的表層射流被基板和復(fù)板捕獲，形成了漩渦區(qū)。此外，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，Ag和Ti復(fù)合層界面清晰，根據(jù)面掃描結(jié)果，Ag和Ti元素分布均具有明顯的邊界，表明復(fù)合界面處未觀測到明顯的元素擴(kuò)散，這可能是由于爆炸焊接過程雖然會產(chǎn)生瞬時高溫高壓，但是該過程較短(約10-6s)[10]，原子擴(kuò)散時間短，擴(kuò)散層厚度較小。

不同狀態(tài)Ag/Ti復(fù)合板的微觀組織金相照片如圖4所示，圖中上層為Ag層，下層為Ti層，二者之間為擴(kuò)散層，由于金相侵蝕的原因，擴(kuò)散層呈現(xiàn)黑色條紋狀。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火處理后，組織均發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，Ag層形成晶界相互平行的大晶粒，Ti層形成晶粒尺寸約為50 μm的等軸晶組織。此外，爆炸焊接板材經(jīng)軋制后，復(fù)合界面形態(tài)發(fā)生了明顯變化，波狀復(fù)合界面發(fā)生塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槠街毙徒缑?。此外，板材?jīng)軋制變形后，其界面形成不連續(xù)的擴(kuò)散層，這是由于板材軋制過程中進(jìn)行了退火處理，在退火過程中，由于元素間的擴(kuò)散在界面上形成擴(kuò)散層，在之后的軋制過程中，擴(kuò)散層被壓扁并拉長，形成不連續(xù)的擴(kuò)散層。經(jīng)后續(xù)的退火處理后，形成厚度約為20 μm的連續(xù)均勻的擴(kuò)散層。

(a). 微觀組織(Microstructure); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

(a). 軋制態(tài)板材(As-rolled plate); (b). 退火態(tài)板材(As-annealed plate)

圖5和圖6為不同狀態(tài)Ag/Ti復(fù)合板材界面的面掃描分析結(jié)果，表1為圖5和圖6中標(biāo)記點的EDS分析結(jié)果。從圖表中可以看出，軋制態(tài)和退火態(tài)中擴(kuò)散層中的金屬間化合物均由Ag和Ti兩種元素組成，并且二者的原子比接近1:1。結(jié)合Ag-Ti二元合金相圖，Ag和Ti之間可能形成AgTi2和AgTi兩種金屬間化合物，根據(jù)EDS分析結(jié)果可以確定擴(kuò)散層由AgTi金屬間化合物組成。此外，從圖中還可以看出，軋制態(tài)復(fù)合板材的界面擴(kuò)散層為不連續(xù)狀態(tài)，如圖中箭頭所示區(qū)域明顯可見Ag層和Ti層直接結(jié)合，而經(jīng)退火處理后，擴(kuò)散層變得更加連續(xù)和均勻，這有不僅利于提高Ag層和Ti層的結(jié)合強(qiáng)度，而且還使復(fù)合板材的微觀組織更加均勻。

表2為不同狀態(tài)Ag/Ti復(fù)合板材和純鈦板的拉伸力學(xué)性能。從表2中可以看出，由于板材在加工過程中產(chǎn)生加工硬化，導(dǎo)致軋制態(tài)的復(fù)合板具有較高的強(qiáng)度，但是其塑性較差，而經(jīng)退火處理后，板材組織發(fā)生了完全的再結(jié)晶，降低了位錯密度，其強(qiáng)度明顯降低，但是塑性卻有明顯的增加，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為358 MPa、464 MPa和50.5%。此外，通過與純鈦板拉伸力學(xué)性能進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種材料在相同狀態(tài)下的力學(xué)性能沒有明顯差異。這是由于純Ag層較薄，且強(qiáng)度較低(軋制態(tài)抗拉強(qiáng)度約為300 MPa)，復(fù)合板材強(qiáng)度最終由Ti層決定。

(a). 界面微觀組織(Microstructure of the bonding interface); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

(a). 界面微觀組織(Microstructure of the bonding interface); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

表1 圖5和圖6中標(biāo)定位置的EDS分析結(jié)果

Tab.1 EDS results of the calibrated regions in Fig.5 and Fig.6

表2 不同狀態(tài)Ag/Ti復(fù)合板材和純鈦板材的拉伸力學(xué)性能

Tab.2 Tensile properties of the Ag/Ti composite plate and pure Ti plate under different conditions

圖7為不同狀態(tài)Ag/Ti復(fù)合板拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖7可見，兩種狀態(tài)的試樣拉伸斷口均呈45°切斷斷口，兩種狀態(tài)下板材Ti層的斷口均存在大面積韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。但是，軋制態(tài)試樣斷口中為等軸韌窩，韌窩尺寸較小，大部分韌窩寬度為1～5 μm；而退火態(tài)試樣斷口具有拉長形韌窩特征，韌窩尺寸較大且深，大部分韌窩寬度為5～20 μm之間。軋制態(tài)復(fù)合板變形硬化指數(shù)較大，拉伸過程中難以發(fā)生頸縮，因此生成更多的顯微空洞或通過剪切斷裂而連接，導(dǎo)致韌窩變小、變淺；而退火態(tài)試樣斷口中為拉長韌窩，且韌窩尺寸較大，韌窩的尺寸反映了材料斷裂前塑性變形的大小，韌窩尺寸越大，材料的塑性就越好[12]。此外，由于Ag-Ti層塑性較差，在拉伸過程中均發(fā)生了明顯的破碎。由于退火態(tài)復(fù)合板Ag-Ti層更厚，且在拉伸過程中經(jīng)歷更大的塑性變形，因此破碎現(xiàn)象更加明顯。結(jié)合表2的測試結(jié)果，Ag-Ti層的產(chǎn)生對于材料的拉伸力學(xué)性能影響不大，這可能是由于其厚度遠(yuǎn)小于于純鈦基體，不能起到顯著的強(qiáng)化效果。

(a). 軋制態(tài)板材(As-rolled plate); (b). 退火態(tài)板材(As-annealed plate)

根據(jù)以上分析，Ag/Ti復(fù)合板材經(jīng)退火處理后具有均勻的三層結(jié)構(gòu)，其中基體層為純鈦層，保證板材具有較高的強(qiáng)度，復(fù)合層為純銀層，使板材具有抗菌性能，中間層為均勻的Ag-Ti層，可以促進(jìn)界面形成冶金結(jié)合，增加了基體層和復(fù)合層的結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 爆炸復(fù)合Ag/Ti板結(jié)合界面出現(xiàn)周期性的波紋，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm，具有典型的爆炸焊接界面特征，其界面具有漩渦組織，少量Ti包裹在Ag基體的漩渦中。

2) 爆炸焊接Ag/Ti復(fù)合板經(jīng)軋制后，波狀復(fù)合界面發(fā)生塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)槠街毙徒缑妗４送?，?jīng)軋制變形后，其界面形成不連續(xù)的AgTi擴(kuò)散層，經(jīng)后續(xù)的退火處理后，形成厚度約為20 μm的連續(xù)均勻的擴(kuò)散層。

3) 軋制態(tài)的Ag/Ti復(fù)合板經(jīng)退火處理后，板材的強(qiáng)度明顯降低，但是其塑性卻有明顯的增加，伸長率高達(dá)50.5%。兩種狀態(tài)下板材Ti層的斷口均存在大面積韌窩，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征，但軋制態(tài)試樣斷口韌窩尺寸較小，而退火態(tài)試樣斷口中韌窩尺寸較大且深。

[1] 墻薔, 倪紅衛(wèi), 幸偉, 等. 銀的抗菌作用機(jī)理[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報, 2007, 30(2): 121-124.

QIANG Q, NI H W, XING W, et al. Antibacterial mechanism of silver[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2007, 30(2): 121-124.

[2] ARASH V, KEIKHAEE F, RABIEE S M, et al. Evaluation of antibacterial effects of silver-coated stainless steel orthodontic brackets[J]. Journal of Dentistry, 2016, 13(1): 49-54.

[3] 劉永紅, 李海清, 李德超, 等. 不銹鋼鍍Ag涂層的制備及對變形鏈球菌的抗菌性研究[J]. 口腔醫(yī)學(xué)研究, 2014, 30(9): 834-837.

LIU Y H, LI H Q, LI D C, et al. Surface modification of stainless steel with Ag coating and the antibacterial effect against streptococcus mutans in vitro[J]. Journal of Oral Science Research, 2014, 30(9): 834-837.

[4] 胡宇, 高峰, 萬偉偉, 等. 等離子噴涂銀基涂層性能研究[J]. 熱噴涂技術(shù), 2018, 10(3): 10-13.

HU Y, GAO F, WAN W W, et al. Study on the process of silver based coating by plasma spraying[J]. Thermal Spray Technology, 2018, 10(3): 10-13.

[5] YANG M, XU J F, CHEN D G, et al. Understanding interface evolution during explosive welding of silver foil and Q235 substrate through experimental observation coupled with simulation[J]. Applied Surface Science, 2021, 566: 1-10.

[6] 田廣民, 李選明, 趙永慶, 等. 層狀金屬復(fù)合材料加工技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 中國材料進(jìn)展, 2013, 32(11): 696-701.

TIAN G M, LI X M, ZHAO Y Q, et al. Research status of processing technology of laminated metal composite[J]. Materials China, 2013, 32(11): 696-701.

[7] 趙峰, 李選明, 王虎年. 爆炸-軋制鈦/鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能研究[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2010, 25(1): 30-34.

ZHAO F, LI X M, WANG H N. The bonding propriety of the explode-rolled Ti/steel clad metal[J]. Development and Application of Materials, 2010, 25(1): 30-34.

[8] CHEN Z Q, WANG D Y, CAO X Q, et al. Influence of multi-pass rolling and subsequent annealing on the interface microstructure and mechanical properties of the explosive welding Mg/Al composite plates[J]. Materials Science and Engineering A, 2018, 723: 97-108.

[9] 曾翔宇, 李曉杰, 王小紅, 等. 爆炸焊接波狀界面的形成和發(fā)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(6): 1977-1983.

ZENG X Y, LI X J, WANG X H, et al. Formation and development of explosive welding wave interface[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(6): 1977-1983.

[10] LYSAK V I, KUZMIN S V. Energy balance during explosive welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 222: 356-364.

[11] 鐘群鵬, 趙子華. 斷口學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 155-160.

Effects of rolling and annealing on microstructures and mechanical properties of explosion welded Ag/Ti composite plate

FAN Wenjie, ZHU Shaozhen*, ZHOU Longhai, WANG Hang

(Xi'an Noble Rare Metal Materials Co. Ltd., Xi'an 710201, China)

Ag/Ti composite plate was fabricated by explosion-rolling technology in this work. The effects of rolling and annealing on the properties of the composite plate and the microstructure of the bonding interface were studied. The results show that the bonding interface of explosion welded Ag/Ti composite plate has typical wavy structure with an average wavelength of 300 μm and a height of 80 μm. The wavy interface changed into straight interface basically after rolling, due to the large plastic deformation. In addition, a discontinuous AgTi interfacial diffusion layer was developed. After a subsequent annealing treatment, a continuous and uniform diffusion layer with a thickness of about 20 μm was formed at the interface. The strength of the rolled Ag/Ti composite plate was significantly reduced after the annealing treatment, but its plasticity increased significantly, with the yield strength, ultimate tensile strength and elongation being 358 MPa, 464 MPa and 50.5%, respectively. Fracture analysis shows that both the rolled and annealed composite plates exhibited significant ductile failure characteristics, but the latter had a larger and deeper dimples in the fracture, indicating better plasticity.

Ag/Ti composite plate; explosive welding; rolling; annealing

TG337.6

A

1004-0676(2023)04-0069-05

2023-02-10

陜西省重點研發(fā)計劃工業(yè)領(lǐng)域項目(2022GY-393)

范文杰，男，工程師；研究方向：稀貴金屬材料加工；E-mail: china1571@163.com

朱紹珍，男，博士，工程師；研究方向：稀貴金屬材料加工；E-mail: szzhu12s@alum.imr.ac.cn