熱處理對鈦鋼復合板界面硬度的影響

摘 要：鈦/鋼復合板經(jīng)過爆炸焊接，其復合界面產(chǎn)生劇烈塑性變形，界面硬度對后續(xù)鉆孔、卷曲等加工都會產(chǎn)生較大影響，通過500℃、550℃、600℃三種退火溫度，保溫時間分別定為2小時、2.5小時、3小時、3.5小時、4小時對鈦鋼復合板進行熱處理，結果表明：鈦鋼復合板退火溫度控制在540±10℃，保溫時間小于3小時可獲得較好的結合性能和合適的界面硬度，滿足后續(xù)加工要求。

關鍵詞：爆炸焊接；鈦鋼復合板；界面硬度

鈦/鋼復合板在電站輔機、化工設備中有廣泛應用，通常作為管板、筒體板在大型設備中作為關鍵結構材料。鈦材和鋼材經(jīng)爆炸復合后，由于兩種金屬材料經(jīng)受了劇烈的爆炸沖擊載荷，在板材復合面及附近區(qū)域發(fā)生了劇烈的塑性變形，導致兩種金屬材料局部區(qū)域內的物理性能發(fā)生了根本性的變化，如局部強度、硬度升高、應力增大、局部材料塑性及綜合性能降低，給后續(xù)加工帶來不良影響。為了恢復兩種金屬材料的物理性能，消除爆炸沖擊載荷對兩種金屬材料性能的影響，降低材料內部的局部應力，必須對爆炸復合后的鈦鋼復合板進行退火處理。退火溫度的選擇對于退火處理的效果至關重要。溫度過低則材料應力無法徹底消除，材料性能不能完全恢復，對后續(xù)加工不利，但有利于保護復合板材較高的結合性能；溫度過高材料應力得到了徹底消除，材料性能完全恢復，對后續(xù)加工有利，但會造成復合板結合性能降低，有可能在后續(xù)加工過程中因復合板材結合強度過低而導致其分層，造成復合板報廢。因此復合板的退火溫度必須選擇恰當。文章以鈦鋼復合板為研究對象，對比分析不同熱處理工藝條件下復合板性能和界面硬度變化。通過制定合理的熱處理工藝制度，使復合板結合性能和界面硬度滿足后續(xù)加工要求。

1 試驗材料

實驗所用復合板的復層為Gr1鈦板，化學成分如表1所示。所用復合板的基層為碳鋼板Gr70，化學成分如表2所示。

2 試驗方法

選取500℃、550℃、600℃三種退火溫度，保溫時間分別定為2小時、2.5小時、3小時、3.5小時、4小時，對鈦/鋼爆炸復合試板進行退火試驗，然后對復合板進行力學性能測試。

3 實驗結果討論與分析

檢測結果分別如表3所示。

根據(jù)試驗結果，初步確定合適的熱處理工藝如下：

加熱速度：從300℃開始，60℃～130℃/小時。

加熱溫度：540±15℃。保溫時間：≤3小時

冷卻方式：隨爐冷卻，當爐溫冷卻到200℃以下可出爐空冷。

采用此退火制度對兩種試板進行退火處理，進行性能檢驗、界面觀察及界面硬度檢測，結果如下：

3.1 機械性能檢測結果（見表4）

3.2界面金相觀察

圖1是1#取樣位置金相照片，a圖為退火鈦，1（b）圖為爆炸態(tài)。從圖b中可看出爆炸復合界面為典型的波形結合特征，結合界面細密，無其它雜物產(chǎn)生。波峰上面鈦側有絕熱剪切帶產(chǎn)生，且逐漸增長、變寬。波前有封閉的旋窩呈橢圓形存在。從圖1（a）中可看出經(jīng)退火后，結合界面形態(tài)發(fā)生明顯變化，鈦側組織發(fā)生再結晶變化，絕熱剪切帶也顯示了明顯的再結晶特征，并逐漸消失與基體組織融為一體（見圖3），說明退火后鈦材性能基本上得到恢復。

圖3是界面結合形態(tài)局部放大圖，從圖中可清楚的看到復合材料經(jīng)過熱處理后的組織變化情況。鋼側在結合界面附近變形流線依然存在，但較之爆炸態(tài)明顯減輕，由此可知鋼材性能恢復不太完全，這是由于退火溫度過低所致。如果提高退火溫度到600℃，鋼材性能可得到完全恢復，但在此溫度下，由于結合界面上兩種金屬材料發(fā)生化學反應，生成Ti、C化合物，嚴重影響兩種金屬材料的結合性能，導致界面剪切強度迅速降低而無法使用。因此經(jīng)過熱處理后的鈦鋼復合材料，其爆炸復合過程中所產(chǎn)生的內應力是無法完全消除的，但其消除程度可達到90%以上，最終可保證材料性能完全達標。另外，經(jīng)熱處理后旋渦區(qū)形態(tài)明顯顯示是由基體組織和爆炸復合過程中產(chǎn)生的熔化組織組成，此區(qū)域的形成及大小與爆炸復合工藝和距引爆點的距離密切相關，若爆炸復合工藝偏上限，且距引爆點距離愈遠，產(chǎn)生的旋渦區(qū)愈大，反之愈小或者沒有。盡管復合材料結合界面存在旋渦區(qū)缺陷，但其和整個結合界面相比所占份額度很小，同時它呈不連續(xù)狀，同時可控，因此對復合板材的性能影響可忽略。

3.3 界面硬度檢測

圖4是鈦鋼復合板結合界面附近硬度檢測結果，其中圖4（a）是爆炸狀態(tài)，圖4（b）是退火狀態(tài)。由圖4（a）可看出，經(jīng)過爆炸復合后的鈦材和鋼材硬度明顯上升，特別是界面上達最高值，說明鈦、鋼材料不僅在界面上，而且在界面附近發(fā)生嚴重硬化，這是由于爆炸復合過程是一個高速碰撞、材料發(fā)生高速嚴重變形的過程。經(jīng)過540℃～560℃退火后（見圖4（b）），其硬度明顯降下來，在界面上硬度還有所偏高，說明材料退火不完全，內部還有部分應力未消除，但已達到材料可使用的范圍。如果希望全部消除材料內部應力，必須提高退火溫度，達到完全退火溫度，這樣做會對復合材料的結合強度有嚴重影響。

綜上所述，能夠發(fā)現(xiàn)如下顯微硬度的分布規(guī)律：

（1）結合界面附近上的硬度通常較兩側基體內的高些。這主要與該位置上金屬塑性變形的程度最強烈有關。

（2）隨著與界面距離的增加，其兩側基體內的硬度逐漸降低。這主要是相應位置上的金屬塑性變形的程度逐漸減弱所致。

（3）上述兩種分布形式的硬度通常高于基體金屬原始的硬度。