田曉東，王小苗，丁 旭，彭藝杰，周仁健，羅海龍

(1．長(zhǎng)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(qiáng)度高、耐腐蝕性好及高溫力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在航空航天、艦船等行業(yè)被廣泛使用，但其價(jià)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(jià)格上較其他合金有明顯優(yōu)勢(shì)，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(shí)，飛行器在稠密大氣中超音速飛行時(shí)，受激波與機(jī)體間高溫壓縮氣體的加熱和機(jī)體表面與空氣強(qiáng)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(guò)了鋁合金的極限使用溫度，使其強(qiáng)度大大削弱。因此將二者性能有效結(jié)合起來(lái)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(jìn)行金屬?gòu)?fù)合的方法，可實(shí)現(xiàn)300余種金屬材料的復(fù)合，且50余種金屬?gòu)?fù)合板已投入使用[4,5]。

本文總結(jié)近年來(lái)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(jìn)展，并指出鈦/鋁復(fù)合板的重點(diǎn)發(fā)展方向，以期為推動(dòng)鈦/鋁復(fù)合板在我國(guó)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(dòng)能，覆板與基板(鋁板)發(fā)生高速傾斜碰撞，碰撞點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)附近產(chǎn)生過(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)參數(shù)指爆炸時(shí)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(diǎn)移動(dòng)速度Vc及碰撞角β等。動(dòng)態(tài)參數(shù)由靜態(tài)參數(shù)決定，通過(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)可計(jì)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(xiàn)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(jì)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(shí)，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(qiáng)度，但R過(guò)大時(shí)基覆板劇烈碰撞會(huì)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(qiáng)度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，基覆板間距相同時(shí)，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(shí)，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(guò)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(shí)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(jì)算式為：

h=0.2(δ0+δ1)

(2)

據(jù)式(2)計(jì)算得到基覆板間距，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果相近的爆炸焊接試驗(yàn)，其界面結(jié)合方式均為波狀結(jié)合[16-18]。

1.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)

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

(3)

任取其中2個(gè)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(jì)算爆炸焊接窗口。

爆炸焊接窗口由4個(gè)邊界定義，如圖2所示。為確保金屬射流的形成，Abrahamson等人[27]認(rèn)為Vcmax應(yīng)為碰撞角的函數(shù)，右邊界Vcmax計(jì)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(diǎn)。為確保形成良好的波狀結(jié)合界面，碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度應(yīng)大于Vcmin，Vcmin計(jì)算式如下[28]：

表1 不同文獻(xiàn)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(diǎn)的沖擊壓力大于材料的屈服應(yīng)力時(shí)的最小碰撞速度，以保證結(jié)合界面產(chǎn)生塑性變形，計(jì)算式如下[29]：

(6)

式中：Rm為材料抗拉強(qiáng)度，Pa；ρ為材料密度，kg/m3。

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

(7)

式中：N為經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)移動(dòng)速度(當(dāng)采用平行法放置時(shí)，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(xiàn)[13]中TA2/2Al2復(fù)合板動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)計(jì)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(dòng)態(tài)工藝參數(shù)，所得復(fù)合板為波狀結(jié)合且無(wú)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(dòng)態(tài)工藝參數(shù)對(duì)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(shí)，動(dòng)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(shí)為直線結(jié)合，介于Vcmin與Vcmax之間時(shí)為波狀結(jié)合，大于Vcmax時(shí)為熔化層結(jié)合。此外，朱錫等人[31]研究了材料性能對(duì)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(duì)稱的波狀結(jié)合，反之則為非對(duì)稱的波狀結(jié)合。鈦/鋁復(fù)合板的結(jié)合界面通常為非對(duì)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(zhǎng)和波高。已有研究表明，隨距起爆點(diǎn)距離的增加波長(zhǎng)和波高逐漸增大[32]，隨質(zhì)量比R的增大波長(zhǎng)和波高也是逐漸增大[17,18]。復(fù)合板爆炸焊接過(guò)程中，炸藥爆炸由非穩(wěn)定轟炸向穩(wěn)定轟炸過(guò)渡，導(dǎo)致爆炸載荷逐漸變大，而且，距起爆點(diǎn)越遠(yuǎn)基覆板間震動(dòng)越劇烈，基覆板間碰撞載荷增大，從而使波長(zhǎng)、波高逐漸變大。

2.1.2 結(jié)合界面的擴(kuò)散層和金屬間化合物

復(fù)合板爆炸焊接過(guò)程中，結(jié)合界面存在的化學(xué)成分差異會(huì)產(chǎn)生元素?cái)U(kuò)散，適量的元素?cái)U(kuò)散會(huì)提高復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，但過(guò)度的元素?cái)U(kuò)散會(huì)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(qiáng)度[12]。對(duì)不同學(xué)者進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(huì)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(shí)，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(duì)鈦/鋁復(fù)合板進(jìn)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(jī)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(shí)結(jié)合界面處溫度快速上升和下降導(dǎo)致的細(xì)晶細(xì)化作用有關(guān)[7,12,16,24]。鈦/鋁復(fù)合板抗彎強(qiáng)度通?？蛇_(dá)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(qiáng)度主要由結(jié)合界面原子擴(kuò)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(guò)(440～450)℃/(2～3)h熱處理后，界面抗剪切強(qiáng)度通常為80 MPa左右。在基覆板之間增加過(guò)渡層(通常為1060鋁合金)，有助于提高界面抗剪切強(qiáng)度[18]。鈦/鋁復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度在165.5～430.3 MPa之間，與基覆板材料牌號(hào)、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(yǔ)

國(guó)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(dòng)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(duì)當(dāng)前爆炸焊接中存在的問(wèn)題，在以下方面加強(qiáng)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(jiǎn)單復(fù)合，后續(xù)應(yīng)充分發(fā)揮爆炸焊接的優(yōu)勢(shì)，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(guó)家綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，研究人員應(yīng)加強(qiáng)研制新型炸藥，減少爆炸焊接對(duì)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(shí)性及危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，且工藝參數(shù)通常為經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)共同決定，為獲得最優(yōu)的爆炸焊接工藝須進(jìn)行多次試驗(yàn)，從而增加試驗(yàn)周期，造成材料及人力的浪費(fèi)，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(qiáng)有力的支撐。