（材料加工工程专业论文）爆炸焊接轧制钛钢复合板——工艺和断口形貌研究.pdf

西安建筑科技大学硕士研究生论文 爆炸焊接- $ l n 钛钢复合板 - 工艺和断口形貌研究 专业：材料加工工程 硕士生：王敬忠 导师：颜学柏教授 摘要 爆炸焊接- j 年l 锘4 工艺是种在爆炸焊接的基础e 通过轧制的方法来增大制品尺寸的复合板 生产工艺。本研究采用爆炸焊接的方式使基层和中间层与复层复合，然后按对称的方式组成料 坯，接着加热轧制获得车太钢复合板。本研究的主要结果如下： ( 1 ) 分别以q 、n i 的薄板作中间层时，加工温度无论高于还是低于它们与钛的共晶反应 温度获得的复合板部不能满足标准要求。以工业纯铁做中间层，加热轧制温度在8 0 0 o c 8 8 0 之间和退：k 温度在5 5 0 。c 7 0 0 之间的情况下，可以得到符合标准要求的复合板。 ( 2 ) 在钛的且转变温度以上，随着加热温度的升高，f e 元素在钛组织中的扩散速度增大， 形成的扩散层厚度增大，复合板的结合强度降低。当加工温度为1 0 0 0 。c 时，复合板室温下界 面附近的复层组织呈针状。 ( 3 ) 在8 0 0 9 0 0 之问，随着退：k 温度的升高，钛和铁之间化合物的厚度变化不大：在 9 0 0 c 以上，随着退火温度的升高，金属间化合物的厚度明显增大，复合板的结合强度大幅度 阿氐。 ( 4 ) 当基层和复层初始厚度之比相等时，随着加工温度的升高，复层获得的变形量与轧件 的总变形量的比值增大。同一加工温度下，随初始厚度比值增大，各层的变形量与总的变形量 趋于一致。 ( 5 ) 以水玻璃做隔离剂，随着加工温度的升高，复层表面的粗糙度变大，拉伸和弯曲性能 恶化。以不同种材料做隔离剂，随着隔离剂硬度的增大，复层的表面质量变差，但对结合强度 没有明显的影响。 ( 6 ) 研究了拉剪试样在拉伸过程的受力情况，在掩伸的初始阶段复合板结合面受到纯剪 应力的作用，随着拉伸过程的继续，结合面上受到f 应力和剪心力的共同作用。 ( 7 ) 加工温度低于9 0 0 。c 时，拉剪试样的断口上。叮以看到韧窝状形貌，主要的断裂机制是韧 西安建筑科技大学硕士研究生论文 性断裂和解理断裂以及沿晶断裂。当加工温度超过9 0 0 。c 时，主要断裂机制为解理断裂和沿晶 断裂。 ( 8 ) 退火温度对断口的形貌有显著影响。在退火温度为5 5 0 4 c 时，断口上的韧窝丰富；当 退火温度在6 5 0 。c 或以上时，难以在断口上看到韧性断口。随着退火温度升高，断口上白色的 金属间化合物呈增加趋势。随着退火温度升高，剪切强度降低，这与界面上金属问化合物的量 有关。 关键词：爆炸- 车嘛虬复合板，结合强度，结合界面。 】i 西安建筑科技人学硕士研究生论文 t h e s t u d y o ft h ep r o c e s sa n dt h er u p t u r eo nt h ee x p l o s i o n w e l d i n g - r o l l i n g 1 5 - s t e e lc o m p o s i t e s p l a t e s p e d a l t y ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n g p r e s e n t e d b y ：w a n g j i n g z h o n g d i i h = t e d b y ：y a hx u e b a i a b s t r a c t e x p l o s i o nw e l d e d - r o ll i n gi sap r o c e s sw i t hw h i c ht h ee x p l o s i o nw e l d e dt i s t e e l c o m p o s i t ep l a t ec a nb ew i d e n e da n dl e n g t h e n e d i nt h ep r e s e n ts t u d y ，t h ec o m p o s i t e p l a t e sw e r ea t t a i n e dt h r o u g ht h em e t h o dw h i c hc o n t a i n sf o l l o wp r o c e d u r e s ，f i r s t l y h a v i n gt h ei n s e r tl a y e ra n dc l a d d i n gp l a t ea n dm a t r i xt o g e t h e rb ye x p l o s i o nw e l d i n g ， t h e ng e t t i n gt h ee x p l o s i o nw e l d i n gc o m p o s i t ep l a t ea n dt h eo t h e rt o g e t h e rw i t hs y m m e t r y w a y f i n a l l yh e a t i n ga n dr o l l i n gt h ep l a n t h em a i nr e s u l t so ft h es t u d ya sf o l l o w ： ( 1 ) t h ec o m p o s i t ep l a t e sm e e t i n gt h er e l a t i v es t a n d a r dc a r ln o tb ea c h i e v e du s i n g t h ec uf i l ms i n g l ye i t h e ro v e rt h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r eo ft h et i c uo rb e l o wt h e t e m p e r a t u r e t h er e s u l t so fu s i n gt h en if i l ma si n t e rl a y e ri st h es i m i l m t ot h a t o ft h ec u u s i n gt h es i m p l ei r o n ，t h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t ep l a t ec a ns a t i s f yt h e r e l a t i v ec r i t e r i o n s b u th e a t i n gt e m p e r a t u r ea t8 0 0 8 8 0 a n dt h ea n n e a l i n g t e m p e r a t u r ea t5 5 0 7 0 0 r e q u i r e d ( 2 ) a b o v et h ea _ t i b1 it r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo fc l a d d i n gp l a t e ，w i t ht h e h e a tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ed i f f u s i o ns p e e do ff ee l e m e n ti nt h et im a t r i xi s i n c r e a s i n g ，t h et h i c k n e s s o fd i f f u s i o nl a y e ri n c r e a s i n g ，a n dt h e r e f o r e ，t h ec o m b i n i n g t o u g h n e s so fc o m p o s i t ep l a t ei sd e c r e a s i n g w h e nt h eh e a tt e m p e r a t u r ei s1 0 0 0 ，t h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ec l a d d i n gp l a t e 1 e a rt h ei n t e r f a c eo ft h ei n t e rl a y e ra n dc l a d d i n g p l a t ew a sc h a n g e di n t on e e d l e ( 3 ) w i t ht h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r er i s i n ga t8 0 0 9 0 0 t h et h i c k n e s so ft h e c o m p o u n db e t w e e nt h et ie l e m e n ta n df ee l e m e n ti sc h a n g i n gg r a d u a l l y ，b u ta b o v et h e 9 0 0 ，t h et h i c k n e s so fc o m p o u n di n c r e a s i n gs t r o n g l y ，c o m p a n y i n gt h ec o m b i n i n g t o u g h n e s so fc o m p o s i t ep l a t er e d u c i n gn o t a b l y ( 4 ) w h e nt h eo r i g i n a lr a t i oo ft h et h i c k n e s so ft h eb a s ep l a t ea n dt h ec l a d d i n g 西安建筑科技大学硕士研究生论文 p l a t ei sd e f i n i t e ，t h ed e f o r m a t i o nr a t eo ft h ec l a d d i n gp l a t ei st h a nt h a to ft h ep l a n o nt h eo t h e rh a n d ，w h e nt h eh e a tt e m p e r a t u r ei ss s f i e ，w i t ht h e o r i g i n a lr a t i oi n c r e a s i n g ， t h ed e f o r m a t i o nr a t eo ft h ee v e r yl a y e ro ft h ep l a nw i l lb ei n c l i n e dt oe q u a l ( 5 ) w i t ht h eh e a tt e m p e r a t u r er i s i n g t h es u r f a c eo fc l a d d i n gp l a t ei sm o r ec o a r s e u s i n gt h en a 2 s o , 啪a st h es e g r e g a t em a t e r i a la n dm a d et h em a c h i n ep r o p e r t i e so ft h e c o m p o s i t ep l a t eb a d w i t ht h ei n c r e m e n ti nh a r d n e s so fs e g r e g a t em a t e r i a l s ，a tt h e s a l l l eh e a tt e m p e r a t u r e ，t h es u r f a c eo ft h ec l a d d i n gp l a t ei sm o r er o u g h ( 6 ) d u r i n gt h ep r e li m i n a r yp h a s eo ft h ed r a w , t h ei n t e r f a c eo fc o m p o s i t ep l a t ew a s f o r c e db ys h e a rs t r e s ss i n g l y ，i ft h ep r o c e d u r eg o i n go n ，b o t ht h es h e a rs t r e s sa n d t h en o r m a ls t r e s sw i l le f f e c to nt h ei n t e r f a c eo fc o m p o s i t ep l a t e ( 7 ) w h e nt h eh e a tt e m p e r a t u r eu n d e r 9 0 0 。c t o u g hl o o k sc a nb eo b s e r v e di nt h er a p t u r e o ft h es h e a rs a m p l e ，a n dt h em a i n r a p t u r em e c h a n i s m sc o n t a i np l a s t i cr a p t u r ea n dd e c c x j e f r a c t u r e ，a n db r i t t l er a p t u r e w h e nt h eh e a tt e m p e r a t u r eo v e r9 0 0 ，m a i nf r a c t u r e m e c h a n i s mo ft h es h e a rs a m p l ec o n t a i nd e c x x l ef r a c t u r ea n db r i t t l er a p t u r e ，a n dt h e p l a s t i cr a p t u r em e c h a n i s mh a v en oe f f e c to nt h er a p t u r eo fs h e a rs a m p l e ( 8 ) a n n e a li n gt e m p e r a t u r eh a sn o t a b l ee f f e c to nt h er a p t u r eo ft h es h e a rs a m p l e w i t ht h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ec o m p o u n do ft i f ei sm o r ea n dd i s t r i b u t e a l o n gt h ei n t e r f a c eo fc r y s t a l k e y w o r e s ：e x p l o s i o nw e l d e d - t e l i i n g ，c o m p o s i r ep l a t e c a t b i n i n gs t r e n g t h i n t e r f a c e 1 v 声明 y 6 1 6 9 89 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：巧施己哓、日期：删、3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储躲了葫乞峙导师虢砻孑杨吼 注：请将此页附在论文首页。 两安建筑科技大学硕士研究生论文 1 绪论 随着科学技术的迅猛发展，传统产业深入发展和一批高新技术产业的相继涌现，对材料 的使用性能提出了更高、更苛刻的要求，单一金属或者合金在很多情况下很难满足工业生产对 材料综合性能的要求；另外，地球上的稀贵金属在逐年减少，而市场对稀贵金属的需求量却不 断增长。为了节约贵重金属材料、刚氐生产成本，国内外材料工作者正致力于研究和开发新型 的金属材料一双金属或多金属复合材料。双金属复合材料是科学技术进步和适应当代生产而发 展起来的、跨学科的新兴领域。由于材料是技术发展的基础，对双金属材料的深入研究必将带 来新的技术进步和人们生活水平的提高。 钛由于具有轻质、优良的耐腐蚀和耐高温性，以及它和人体肌肉的亲和性已被广泛地应用 于各领域，尤其在冶金、石化、医学、航空航天、海洋开发等领域。但其价格昂贵，使用成本 较高，制约了它的应用范围。金属复合技术的发展，为钛在各领域的应用开辟了广阔的前景。 由于钛的特殊物理化学性能，在钛和其它金属复合的不同历史阶段，占主导地位的生产 方法有所不同，基于本文的研究课题，这里就沿着t i s t e e l 复合板发展历程，对各种生产工艺 加以归类总结。最初用于生产s t e e l 复合板的工艺是爆炸焊接法；由于不同种金属间的焊 接存在困难，用扩散焊接的方法来生产不同金属之间的接头，这样扩散焊接法被移植用来生 产钛钢复合板接头；随着工业技术的发展，对钛钢复合板的尺寸要求越来越大，以上两种生 产方法生产的产品难以满足市场需求，为了扩大复合板的尺寸，科技工作者开发了爆炸- 车l 制钛翎复合板的生产工艺；为了降低生产成本和减少污染和提高成材率，科技工作者研发了 直接轧制钛一钢复合板的生产工艺。因为它们都有着各自的优点，当然以上几种工艺方法并 没有因为后者的出现而使前者被完全淘汰。 1 1 爆炸t i - s f o e i 复合板基本原理与工艺概述 为了层次清晰明了，本综述按工艺流程的顺序来阐明，有的工序在具体的生产方法中可能没 有或者不需要。 1 1 1 爆炸焊接的发展” 最早将爆炸焊接现象记入文献的是美国人卡尔。1 9 5 7 年，费列普捷克成功地实现了铝和 钢的爆炸焊接。上世纪，5 0 年代末国外开始了对爆炸焊接的系统研究；6 0 年代中后期，美、 英、同等国先后开始了爆炸焊接产品的商业性生产。我国是1 9 6 3 年开始爆炸焊接实验的研究， 1 9 6 8 年用于生产实践。几十年柬随着爆炸焊接技术的发展，在一次爆炸焊接的金属层数方面， 由双层金属的爆炸焊接发展到多层金属的爆炸焊接；在爆炸焊接的质量方面，由鹾初简单的把 异种金属焊接剑一起发展到通过控制爆炸的参数来控制界面的波形及界面上的组织状念。总 1 西安建筑科技火学硕士研究生论文 之，爆炸焊接产品的品种越来越多，且产品的质量进一步提高，性能价格比趋于合理。上世纪 五六十年代，英美和前苏联对爆炸焊接的研究较多，六十年代以来日本作为新兴的工业国，在 双金属复合板方面开展了大量的工作，取得了大量的专利成果，对t k - * n 复合板的研究也比较 多。目前爆炸焊接的双金属复合板，主要有不锈钢复合板和钛复合钢板。 1 1 2 爆炸焊接基本理论概述 1 u 爆炸焊接又称爆炸复合是以炸药为能源进行金属间焊接的方法，这种方法利用炸药爆轰 的能量，使待焊金属面发生高速倾斜碰撞，在撞击面上造成薄层金属的塑性变形以及适量熔 化和原子间的相互扩散等物理化学过程，同种或异种金属间在这一短暂的爆轰过程中形成结 合。 基于研究课题，以金属复合板的爆炸焊接为例来简述爆炸焊接的基本理论，如图1 1 a 、b 所示为爆炸前的工艺安装简图，其中图1 1 a 为倾斜爆炸复合法；图1 1 b 为平行爆炸复合法； 平行爆炸复合法的瞬间状态如图1 1 c 所示：当置于复板上的炸药被引爆后，爆炸波和由爆炸 产物的能量便在复板上传播，垂直于复板运动的产物推动它向下运动和基板产生激烈的倾斜撞 击。在撞击点附近产生高达1 0 6 1 0 7 s 的应变率和高达1 0 p a 的压强从而在撞击的金属之间 形成速度约5 7 l f j n s 、厚度为基板厚度2 5 的金属射流，射流实质上是从被焊金属表面上剥 离的一层金属氧化层及污染物，正是金属射流的形成使得金属板露出了新鲜表面，在高压的作 用下，性能相异的不同种金属板被牢固的结合到一起。金属射流的形成是实现复合的必要条件。 爆炸焊接的过程简要描述如下：引爆雷管后，爆炸波自左向右以爆轰速度v d 传播。复板 在爆轰产物的推动下以v p 向下飞行，v p 的准确方向难以测定，一股假定垂直与弯折角。的平 分线。在爆轰的过程中，撞击点e 以速度v e 沿着爆轰的方向前进。在平行爆炸焊接的情况下 v e = v d 。并且在平行爆炸焊接过程弯折角0 = b ( 撞击角) 存在着如下简单的数学关系： v p ；2 v i * s i n ( 1 1 ) 由于金属流动的连续性，可以得到v f _ v d 那么公式卜1 也可以写成： v p z 2 v d * s i n - ( 卜2 ) 在撞击点e 附近，由于碰撞产生的高压，使该处的金属受到绝热剪切作用，塑性剪切功转 换为热量，这个转换系数为9 0 9 5 或更高。由于在微秒级时间内热传导散失的热量占总热量 极小的一部分。所以在e 点附近就产生瞬间高温，材料的屈服强度下降，碰撞点的压力超出材 料的动态屈服极限。出于碰撞点附近的应力为金属板材静态屈服强度的几十甚至上百倍，材料 的屈服强度在碰撞点附近成为相对小量，于是，碰撞点附近区域的金属呈流体性态。在金属板 由于碰撞产生的再入射流，使被焊金属板获得新鲜的界面，得以相互牢固的结合。 由于撞击点附近的金属呈流体特性，所以在被焊金属之间就会形成具有流体物质表面形貌 的波形界面。金属材料的性质不同和爆炸工艺参数的变化都会对波形界面产生决定性影响，出 2 西安建筑科技大学硕+ 研究生论文 此通常有三种结合界面 图1 1 爆炸焊接复合板工艺安装示意图 a ) 倾斜爆炸复合法 b ) 平行爆炸复合法 c ) 平行复合动态过程 l 基板2 复板 3 缓冲层4 炸药 5 雷管6 地基6 伺隙 n 安装角 o 弯折角 b 碰撞角蝴a 射流9 一主体射流 ( 1 ) 波长与波幅之比较小的细小的波形界面； ( 2 ) 波长与波幅之比较大的波形界匝： ( 3 ) 金属板之间形成熔化层的结合界面； 研究发现第一种波形的结合界面，是较理想的结合状态，具有高的结合强度。为了获得高 的结合质量，必须综合考虑影响爆炸焊接质量的各种因素：诸如炸药的爆轰速度及所布炸药的 密度和厚度，起爆点的位置( 在小幅板的爆炸焊接时显得不重要，当板幅较大的时候，起爆点 的位置就显彳导非常重要) ，金属板之间的间隙，倾斜爆炸焊接时的初始安装角等。 1 1 3 爆炸焊接钛一钢复台板工艺的研究 ( a ) 原料准备 爆炸焊接钛钢复合板的原料准备包括，材料的选取，材料尺寸和外形的确定，以及一些辅 助设备的制作等。一般情况下，复板作为爆炸过程中的飞翔板，它的尺寸应略大于基板的外形 尺寸。辅助设各一般为药盒，它的外形尺寸应略小于复板的外形尺寸。在钛一钢直接爆炸焊接 的情况下，不需准备中间过渡材料。 3 西安建筑科技大学硕士研究生论文 ( b ) 表面检查 表面检查是为了确保爆炸焊接质量和复合板的使用性能而必不可少的爆炸前准备工作，避 免使用表面有夹杂、分层、裂纹等缺陷的原材料。 耋板原料准备中间材料准备复板原料准备 审 f 壅j 印 上0 表面处理表面处理表面处理 0上 空 崮 土 1r 。磊l 机械性能实验 剖| 处| 冈 一 l 理； i。厍司 图l2 钛一钢爆炸复合板生产i 艺流程图 ( c ) 表面处理 金属板表面的污染物和金属氧化层会显著影响焊接质量，组料之前须加以清除，由于爆炸 焊接过程中，形成的再入射流对金属表面有自清理作用，通常用普通砂轮对表面作砂光清理即 可。 ( d ) 组料 4 鹾安建筑科技大学硕士研究生论文 根据一次爆炸焊接金属板的层数，组料方式可以分为双层组料方式和多层组料方式。根据 复板与基板之间的初始安装角可分为平行放置方式和倾斜放置方式。这里以双层组料方式为例 来说明爆炸焊接相关参数选取及其对爆炸焊接质量的影响。 1 双层组料方式：只有两层金属板，在炸药爆轰的过程中焊接到一起。在复板上面布上适 当厚度和爆轰速度的炸药，药量可以参考公式( 1 3 ) 口2 女y e t ( 1 _ 3 ) 删 式中y 一复板材料的屈服点：e 一复板材料的密度：t 一复板的板厚；d 一复板与基板之间 的间隙：e 一基板材料的杨式模量：0 一碰撞角 选择炸药则必须根据待焊接金属的材料音速。炸药的爆轰速度v c 与材料音速c 的大小关 系是能否形成良好结合的决定因素，如果v c c ，在爆轰的过程中不能形成再入射流，金属表 面得不到自清理。钛一钢爆炸焊接所选用炸药的爆轰速度一般为2 0 0 0 3 0 0 0 m s ，因为钛和钢 的材料音速分别为4 7 9 0 m s 与4 6 0 0 m s 。文献 1 0 1 提到一般金属材料间的爆炸焊接采用爆轰速 度为2 3 0 0 2 5 0 0 m s 的炸药，低于这个速度区间，则界面上没有化合物生成，高于这们惠度区 间并随着速度的增大化合物生成量增大。为得到理想的波形界面及结合强度，铋_ 钢爆炸焊接 所使用炸药的爆轰速度应为1 4 0 0 1 9 0 0 m s 。文献 1 1 提到初始安装角在l 。5 。范围内时， 可以得到界面波的波长x 与波幅a 之比为5 ：1 1 5 ：1 。可以通过公式( 卜4 ) 计算出波长“1 。 1 a = h 2 y 2 ( 卜4 ) 式中 波长：h - 复板厚度：y 一撞击角 由于存在公式( 1 1 ) 的关系，在实际的生产中可以：通过选择复板的厚度h 和初始安装角0 ， 来控制撞击角y ，得到所期望的波长。 文献 1 2 、2 1 的研究结果表明，当撞击角在1 1 。1 6 。之问时，可以得到比较有利于提 高结合强度的波形界面：当撞击角为1 5 。时，波长与波幅的长度的比值是0 3 3 。根据图1 1 c 的几何关系可以选择合适的间隙值d 。间隙值d 不能过大，否则复板加速的距离大，不但会引 起界面金属的熔化，还可能形成平坦的结合界面，于结合强度不利。 文献 1 2 3 还给出了如果界面发生熔化，则复板和基板的熔化的质量比符合如下公式： 堕：卫丛。生亟；二圣! 兰( 1 - 5 ) ，h 2、jp 2 c2 九2c 1 ( 乙l 一瓦) + h 1 式中p ，p ：一复板、基板材料的密度： 。， ，复板、基板材料的传热系数；c ，c ：一复板、 基板材料的比热；t ，一复板、基板材料的熔点；h ，h , - 复板、基板材料的结晶潜热；l 一 材料爆炸前的初试温度 2 多层组料方式：层与层之闽输丌适当距离，将多层金属板平行放置在一起如图13 所示， 西安建筑科技大学硕士研究生论文 然后利用炸药瀑轰的能量将它们焊接成一个整体的组料方式。在钛一钢爆炸焊接的生产中，钛 和钢之间加一层或多层中间材料，目的是为了减少复合板去应力退火后结合强度的降低。 驱动板 东2 闻隙1 = = ：= ，特贴台扳 1 - - 垫扳 图1 3 多层爆炸焊接工艺安装示意图 文献 t 5 对多层组料方式爆炸焊接进行了系统研究。v t - g 胃驱动板，是将炸药爆轰的能量均 匀地传递给待贴合板介质板，从而得到波长变动范围小的波形界面，而其自身并不参与焊接。 使用垫板的目的是为了得到理想的板型。研究结果表明，随着驱动板厚度在l 5 唧之间增加， 所得波形界面的波长变动范围逐渐减小。随着驱动板飞翔距离，即上图中间隙2 的在o 5 5 哪 之间增大，所得波形界面的波长的变动范围逐渐增大，当间隙2 的大小在o 5 l n m 之间时波 长的变化较小。待贴合板之间的问隙即间隙l 在0 5 2 m m 之间增大时，所得波长的波动范围 增大，当间隙l 在0 5 l m m 之间时所得波长变动范围较小，约为2 0 “m 。其他条件相同的隋 况下，随着所布炸药厚度的增加，波长也随之增加，但其变动范围减小。当各待贴合板的厚度 不一样时，要想得到各界面的均匀波形受到一定制约。需要指出的是文献i t 5 所做的实验是在 小尺寸范围，但能为实际生产提供一些有益的启示。 文献 1 6 、1 7 是关于钛一钢生产的专利技术。在大生产中不需要驱动板，一股睛况下，爆 炸焊接的材料包括复板和中间材料与基板。这两篇文献描述了在多层爆炸焊接中，为了得到均 匀的波形界面和结合质量，将复板和中间材料的面积质量比限定在一定的范围内，文献 1 6 中两者之间的比值为0 5 1 5 ，而后者则将两者的比值限定在2 以上，显而易见两者存在偏 差，不在一个区间内，由实际生产经验看，前者提供的数据有悖常理，因为通常不会将中间夹 层材料的厚度大于复板的厚度。 文献 1 8 认为影响界面波形均匀性的原因是：在复板和基板之间形成的空隙中，由于复板 的白重和炸药重力的作用，各部分之削的间隙大小不等，导致爆轰前沿的结合界面各部分的工 艺参数不同，爆炸焊接后，各部分界面的波形不均匀。为了改善这种状况，将中间材料与基板 形成的空测密封、充气，这样，尺寸较大时，既可以避免在金属板的中央放置支撑物，又可以 使两者之问各部分的问隔均匀一致，从而统一各部分的工艺参数，获得均匀的波形界而。 ( e ) 起爆 6 西安建筑科技大学硕士研究生论文 文献 1 9 给出了爆炸焊接铋_ 钢复合板的尺寸范围，表1 1 t i 板厚度( m )宽x 长( m 皿) 20 3 0 4 0 6 0 7 o 1 0 l ，3 0 0 x 3 ，0 0 0 1 ，5 0 0 x 3 ，0 0 0 l ，5 0 0 x 3 ，5 0 0 1 ，3 0 0 x 3 ，0 0 0 随着复合板尺寸的增大，从起爆点到爆轰终点，复板的运动速度差增大，导致结合质量 的不均匀性增大。为了减小结合质量的波动，需要根据板幅的大小进行选择合适的起爆点位置。 起爆点的位置一般为复板的几何中心，复板长边的中心或者短边的中心或复板的角点上。 ( f ) 矫平及退火 由爆炸焊接所得到复合板的板型，般会发生不同程度的歪扭、翘曲，需要进行矫平处 理，在此之前有的尤其是厚度较大复合板要进行预热或去应力退火。文献 2 0 的研究结果显示， 6 2 5 l h 的退火处理，t i 的晶粒开始变大，界面附近钢的组织开始再结晶并目脱碳，该温度 下保温4 小时，t i 的晶粒明显增大，随着退火次数的增加结合强度降低；5 4 0 、7 5 0 、8 5 0 c s n6 2 5 c 情况下的规律一样。e p 姒分析结果显示，6 2 5 t h 退火处理后，界面上有增碳现 象，7 5 0 。c 、8 5 0 的结果与之类似，在界面上形成t i c 脆性化合物。当退火的温度超过了t i 的a b 的转变温度，富集在界面上的碳就往b 钛中迅速扩散，使结合强度降低。这些正是设 计多层爆炸焊接方式的原因，在钛板和钢板之间夹一层或多层材料抑制c 的扩散和t i f e 间脆 性化台物的生成，这样就可以提高退火温度而不至于刚氐结合强度。 文献 2 2 把矫平的温度选在2 0 0 5 0 0 4 c 之间，即钢的蓝脆温度区间，认为能进一步改善 结合区的贴合情况。 总之，就爆炸焊接钛钢复合板而言，已经有了套比较系统理论。 1 1 4 爆炸焊接钛一钢复合板的优缺点 优点：( 瞄妊钢复合板的结合强度高：节约贵重金属钛；提高了材料综合性能，两金 属的性能得到更充分利用：拓宽了钛和钢两种材料的应用领域：降低材料的制造成本，提 高经济效益和社会效益。 缺点：在爆炸时对环境造成一定的污染；爆炸焊接的成材率不高；要求有专门的 设备；爆炸场地距社区较远的山地，增加了运输费用。由于爆炸焊接工艺的原因，爆炸复 台板的尺寸受到限制，文献i t 9 提至复扳的厚度般在2 l o m ，复板厚度小于2 r a m 时很难生 产宽幅的复合板，同样大于1 0 m 需要的炸药量增多、运输量增大，成本增加；复合板的长度 最大约3 5 0 0 | 1 1 | n ，超过这个长度则难于得到均匀的结合强度。 1 2 扩散焊接t j s t e e i 复合板基本原理与工艺概述“2 2 “1 1 2 1 扩散焊接基本原理 7 两安建筑科技大学硕士研究生论文 扩散焊接是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过在待焊表 面上产生的微量液相而扩大待焊表面积的物理接触，然后，经较长时间的原子相互扩散来实现 结合的一种焊接方法。 在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须使两待焊表面紧密接触，使之距离达到 1 5 l 矿以内。在这种条件下，金属原子间的弓i 力开始起作用，才开始形成金属键，获得有 一定强度的复合金属接头。 实际上，金属表面无论经过如何精密的加工，在微观匕总还是起伏不平的( 如图1 4 所示) 。 经微细磨削加工的金属表面，其轮廓算术平均偏差为0 8 1 6 x1 0 1 c m 。在零压力下接触时， 其实际接触面积只占全部表面积的百万之一，在施加一般压力时，实际紧密接触面积仅占全部 表面积的1 左右，其余表面之间的距离均大于原子引力起作用的范围。即使少数接触点形成 了金属键连接，其连接强度在宏观上也微不足道。此外，实际表面上还存在氧化膜、污染物及 表面吸附层，均会影响接触点上金属原子间形成金属键。所以，扩散焊接时要采取适当工艺措 施来解决上述问题。 图1 4 金属微观真实表面示意图 金属表面的微观结构，决定了扩散焊接模型分三个阶段。对于同种金属的扩散焊接而言， 第一阶段为变形和交界面的形成；第二阶段为晶界迁移和微孔收缩消除；第三阶段为体积扩散、 微孔消除和界面消失。对于异种金属间的扩散焊接而言，中间层不熔化的扩散焊接，仍可用三 阶段模型来描述，只是扩散过程更复杂，原子扩散中包含异种元素间的扩散问题，浓度梯度和 化学作用的影响，有时需要限制第三阶段进程，防止脆性相产生。在异种金属a 与b 扩散焊接 时，a 中某些元素在b 中的扩散速度较大，会向b 中大量扩散，而b 中的元素在a 中的扩散系 数小，向a 中扩散的少，因此，在a 中就容易出现空穴。这些空穴的形成达到一定程度会使结 合强度恶化。 t i s t e e l 复合板的液相利用的扩散焊接和文献 2 2 中描述的液相扩散焊接有质的差别， 前者是利用把加热过程中由共晶反应生成的液相挤出以得至u 新鲜的金属表面，促使待贴合板间 的冶金结合，后者是利用中间材和基材之间共晶反应生成的液相浸润待贴合金属，填充间隙， 加速扩散，在界面上形成与基体相似的金属层。 12 2 ti s t e ei 扩散焊接复合板工艺的概述 8 西安建筑科技大学硕士研究生论文 钛和钢的性能差异较大，相互之间的固溶度较小，f e 在n - t i 中的扩散速度较在8 一t i 中 的扩散速度小得多，钢中的c 易于扩散至界面上与t i 形成脆性化合物，另外在高温的情况下， t i - f e 之间形成脆性金属间化合物t i f e 、t i f e 。这些化合物分布在界面上使结合性能恶化。 由于上述的原因，在扩散焊接t i s t e e l 复合板的工艺中，加中间层扩散焊接应用广泛，液相 挤出扩散焊接近几年也有利用。 除液相挤出扩散焊接以外，一般要在真空度为l o 1 矿t o r t 的装置中进行，加热温度 7 0 0 9 0 0 ，施加压力为0 1 m p a i a 、持续时间为几秒钟到几十、上百分钟。 原料准备和表面检查与爆炸焊接的对等工序没有区别。这里重点说明中间层的选择和待焊 表面的制备及其清理，加热温度。 为了得到优良的结合强度，避免或减轻异种金属间焊接产生的不利后果，中间层和待焊金 属之间及各中间层之间能够完全固溶或不产生脆性相是t i - s t e e l 复合板扩散焊接工艺的选材 依据。与t i 能完全固溶的金属只有m o 、v 、n b 、t a 四种。中间层的放置次序由其与待焊接板 之间的反应情况决定。文献 2 2 、3 0 选用多层中间材料，m o 、n i 、c r 、c u 。采用如下放置次 序：t i m o c r s t e e l 、t i m o n i s t e e l 、t i m o c r n i s t e e l 、t i 肺c r c u s t e e ：m o 和c r 、 n i 两种元素能完全固溶而不产生脆性金属间化合物，c u 在f e 中的固溶度较大，n i 在f e 中的 固溶度也较大且不易形成金属间胞陛化合物；n i 与t i 接触在9 5 5 。c 发生共晶反应形成脆性金 属间化合物，c u 与t i 接触在8 5 0 。c 发生共晶反应生成脆性金属间化合物，所以采取以上的组 料次序。 复层 中间层 基层 幽i 5 扩散焊接r ：艺流 呈及_ ：1 ：= 艺安装简幽 文献 2 6 也采用相似的放置次序，t i m o v s t e e 、t i w c r s t e e l 、t i m o c r s t e e l 9 西安建筑科技大学硕士研究生论文 等几种组料次序；文献 2 7 则采用，t i t a s t e e l 、t i n b s t e e l 的组料方式。t i 和w 之间作 用没有金属问化合物生成，w 和c r 之间可以完全固溶；虽然t i - n i 易形成脆性金属问化合物， 在结合强度要求不高的场合，仍可以n i 做中间层来生产钛一钢复合板，文献 2 5 说明了以n i 做中间层电阻扩散焊接钛一钢复合板的工艺。由于a g 在a t i 中的溶解度较大，在共析温度下 为1 4 5 w 懦，文献 2 9 采用银做中间层材料。那些在固相扩散焊接温度下，晶粒长大严重的钛 构件，则采用加中间层( c u 或n i ) 的液相扩散焊接法。文献 3 1 、3 4 以非晶态的合金作中间 材料，材料的组成为t i 、z r 、h f 等元素的至少一种以上，含量为l o 5 0 a t ，剩余的为c u 及 杂质元素，这种材料既能促进有益的扩散，又能抑制不利的扩散，从而获得优良的结合质量。 文献 3 2 给出了选择中间层的经验公式 瓦 d 一0 0 2 ( 卜8 ) 鱼。垒 ( i 一9 ) 瓦2d 1 式1 - 8 中t r 材料的开尔文( k ) 熔点；a 一材料的热膨胀系数 式卜9 中t s ，、t 旷待复合的两种材料的开尔文( k ) 熔点；i 、nr 待复合的两种材料的热膨 胀系数 以上两个公式只适用于体心立方金属，但根据这两个公式可以推断，中间材料的膨胀系 数一般要处于两待结合材料的膨胀系数之间，另外热膨胀系数相差较大的两种材料复合，界面 附近残余应力较大。由此以来，e 述两公式也可以为密排六方和面心立方金属间的焊接选择中 间材料提供参考。 中间层的厚度是钛一钢复合板生产工艺中重要的参数之一。一般情况下，中间层材料的 强度较低，所以中间层厚度过大会使结合强度降低，厚度太小又发挥不出抑制c 、f e 元素的扩 散和协调异种金属间的塑性变形的作用；中间层厚度大小也取决于诸如压力、温度、加压时间 等因素。文献 2 9 研究结果表明，剪切强度随着中间层a g 厚度的增大而减小，a g 的厚度在o 5um 之间增加，剥离强度随之增大，但a g 的厚度在5 2 5u m 之间，剥离强度的变化平缓。 中间层材料不同，其厚度要求也不同。文献 2 6 要求、v 、w 中间层的电镀膜的厚度在1 0 u m 以上或3 um 以上：文献 2 9 要求中间层n i 电镀膜的厚度在0 0 3 0 1 5 r a m 之间。 扩散焊接对金属板待贴合面的粗糙度及表面清洁度要求较高，在组料之前要进行表面机 加工，得到平整光洁的表面，保证焊接间隙极小，使微观上紧密接触点尽可能多。通常使用的 粗糙度r a 3 2um ，对硬度较大的材料，r a 应更小：对加有中间层的固相扩散焊接和液相扩 散焊接，可以将条件放宽些。文献瞳7 对耜糙度的上限加了限制，最大值为2 5um 。待焊接表 面的清理通常用酒精、丙酮、三氯乙烯或金属清洗剂做除油处理，有些场合还要用超声清沈净 化处理。 为了防l t 待焊表面氧化和污染，除了- 液相挤出扩散焊接和电阻快速焊接以外，固相扩散焊 l o 西安建筑科技大学硕士研究生论文 接都要在真空装置中进行。根据中间层材料的性质及加热、加压参数的变化，真空度可在1 0 l o “t o r r 之间选择。 加热温度一般不超过t i 的b 相变点，否则有害于结合的元素在t i 中的扩散速度增大，但 温度低于7 0 0 c 金属间的扩散速度慢，需要施加的压力大、持续时间长，生产效率低。随着扩 散焊接技术的发展，电阻扩散焊接得到了越来越广泛的应用，扩散焊接正向自动化、连续化的 方向发展，文献 2 9 是这方面的一个例证。有的工艺方法，以不锈钢网或线材做中间层材料， 采用电阻快速加热连续加压的焊接方式，利用t i 的塑性好、强度低的特点，增强待焊金属间 的机械啮合，既摆脱了真空要求，又实现了t i s t e e l 复合板的连续扩散焊接，突破了以往扩 散焊接的尺寸限制，但需要有专门设备。 1 2 3 扩散焊接钛一钢复合板的优缺点 优点：扩散焊接对设备的要求严格，工艺参数的控制容易，产品质量稳定；制件的变 形小，尺寸精度高；材料的收得率高，有利于节约贵重金属。和爆炸焊接相比，对环境污 染少。 缺点：待焊表面的制备和装各要求较高；焊接热循环时间长，生产效率低；一般需 专用设备，一次性投资大：制件的尺寸受设备的限制。 1 3 轧制