TA2/Q345B鈦鋼復合板復合界面缺陷分析

蔣健博，王長順，及玉梅，付魁軍，王佳驥，劉芳芳

（鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山114009）

鈦的一個顯著特點是耐腐蝕性強，這是由于它對氧的親合力特別大，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護鈦不受介質腐蝕。因此鈦被大量用作各種化學反應容器、熱交換器材料及防腐蝕領域，但缺點是成本較高，特別是作為結構部件使用時尤為突出[1-2]。鈦鋼復合板兼具鋼的良好力學性能以及鈦在強腐蝕環境下的優異耐蝕性能，解決了純鈦應用的高成本問題，已經在機械、航空航天、建筑、核能、石油化工和海洋工程等工業領域得到推廣和應用[3-4]。

目前，國外生產鈦鋼復合板的工藝主要以軋制復合法為主，與爆炸法、爆炸-軋制法相比，軋制復合法在制備工藝、經濟成本、產品規格和環境保護方面均具有明顯的優勢，是未來鈦鋼復合板制備技術的主要發展方向[5-6]。在現有的研究中，對于鈦鋼復合板制備工藝中添加過渡金屬以提高鈦鋼復合強度的研究較多，如王敬忠等人采用工業純鐵和紫銅作為中間夾層材料，研究分析了不同的過渡金屬對軋制鈦鋼復合板復合性能的影響[7]，馬英等人分別采用紫銅T2、鎳N6、純鐵DT4作為過渡金屬，對其軋制鈦鋼復合板的復合性能進行了檢驗分析[8]，而對軋制鈦鋼復合界面易發生的缺陷及其形成原因開展的研究工作相對較少。鈦鋼復合界面易出現的缺陷直接影響到鈦鋼的復合質量，缺陷的深入研究對于制造高品質的鈦鋼復合板和提高其性能穩定性具有重要意義。

鈦鋼復合界面的質量直接影響鈦鋼復合板的整體性能，文中以鈦鋼復合板為研究對象，采用真空電子束焊接技術制備復合板坯，通過加熱、軋制得到鈦鋼復合板，對鈦鋼復合界面進行比較分析，研究復合界面的缺陷種類和形成原因。

1 試驗材料與方法

采用TA2工業純鈦板和Q345B低合金鋼為試驗材料，規格分別為3 mm×150 mm×200 mm和50 mm×190 mm×240 mm，其中TA2鈦板作為復層金屬，Q345B低合金鋼作為基層金屬，其化學成分分別見表1和表2。

表1 TA2鈦板化學成分（質量分數） %

表2 Q345B低合金鋼化學成分（質量分數） %

鈦鋼復合坯的組坯形式為非對稱包覆組坯，采用包覆金屬層+TA2鈦板+Q345B連鑄坯依次疊放的順序，鈦板四周采用Q345B低合金鋼夾條進行填充。其中，包覆金屬層為Q345B低合金鋼，規格為5 mm×190 mm×240 mm。組坯前，需要對復合坯表面進行打磨和酒精擦拭，去除待復合界面和焊接區域內的鐵銹和油污。另外，為了防止鈦板與包覆金屬層在軋制的過程中發生接觸、結合，需要在包覆層側涂覆隔離劑。試驗選擇的隔離劑為FHP-147，在-35℃至1 450℃內，在爐時間19 h內可以實現鈦板與包覆層金屬的完全隔離。組坯完成后，送入真空室，當真空度≤10-2Pa時，采用真空電子束焊接技術對TA2/Q345B鈦鋼復合板坯進行組坯焊接，焊接參數為電壓U為60 kV，電流I為 80～100 mA，速度v為 300～400 mm/min。 組坯焊接完成后，經過加熱和軋制得到TA2/Q345B鈦鋼復合板。

采用Z1200電液伺服拉伸材料試驗機對鈦鋼復合板進行拉伸和剪切試驗，采用ZBC2602全自動沖擊試驗機進行沖擊韌性檢測，試驗溫度為室溫。采用WB-1000電液伺服彎曲試驗機進行彎曲試驗，彎曲角度為180°，彎心直徑d=2a。力學性能檢測中所涉及的取樣數量、方向和位置以及檢測標準均按照復合鋼板力學及工藝性能試驗方法（GB/T 6396-2008）進行。另外，還切取了金相試樣，對TA2/Q345B鈦鋼復合板復合界面進行了組織狀態觀察并采用掃描電鏡進行能譜分析。

2 試驗結果與討論

2.1 軋制鈦鋼復合板力學性能分析

為了研究軋制鈦鋼復合板的界面缺陷種類和形成原因，按照鈦鋼復合板相關國家標準對其綜合性能進行檢驗評價，檢驗結果如表3所示。

從表3中可以看出，通過真空包覆組坯+熱軋技術制備的鈦鋼復合板拉伸相關性能和室溫沖擊性能滿足國家標準要求，但復合界面抗剪切性能不穩定且抗剪切強度不達標。同時，在進行彎曲性能檢驗時也出現了復合界面開裂的問題。從力學性能檢驗結果可以發現，鈦鋼復合板復合界面形成的缺陷對其拉伸和沖擊性能影響較小，對其抗剪切性能和彎曲性能影響較大。由于鈦鋼復合板復合界面存在缺陷，在進行復合界面抗剪切性能檢驗時出現的波動較大，最高的抗剪切性能達到320 MPa，遠高于國家標準140 MPa的要求，但最低的抗剪切性能僅有90 MPa。同時，在進行彎曲檢驗時，鈦鋼復合板復合界面也出現了開裂和未開裂兩種情況，這說明鈦鋼復合板復合界面形成的缺陷分布不均勻，當復合界面存在較大缺陷或缺陷集中時，則會出現抗剪切性能較低和彎曲檢驗復合界面開裂等問題。

2.2 軋制鈦鋼復合板界面組織缺陷分析

為了研究分析鈦鋼復合板復合界面存在缺陷的種類和形成原因，對其復合界面在未腐蝕的條件下進行了微觀組織觀察，如圖1所示。從圖中可以發現，鈦鋼復合板復合界面復合狀態良好，形成了冶金結合，鈦與碳鋼之間復合界面清晰，且平滑連續，未見大量連續未結合缺陷存在，但發現復合界面存在微米級的點狀未結合缺陷。

為了進一步分析鈦鋼復合板復合界面缺陷的特征，采用4%的硝酸酒精對鈦鋼復合板橫切面進行了腐蝕，在金相顯微鏡下觀察，其結果如圖2（a）所示，從圖中可以看出，鈦層和碳鋼層之間形成了冶金連接，整體復合狀態良好，Q345B基層由珠光體和鐵素體組織構成，TA2復層由α鈦組織構成，在復合界面Q345B側存在厚度為5 μm左右的脫碳層。如圖2（b）所示，在復合界面處發現存在細小的未結合缺陷，其長度約為15 μm，分布狀態為散點非連續分布。

圖1 未腐蝕的鈦鋼復合板界面組織特征

圖2 腐蝕后的鈦鋼復合板結合界面組織特征

為了確定其形成原因，對其復合界面間隙內表面進行了能譜分析，分析結果如圖3所示。從能譜分析結果可以看出，未結合缺陷內表面存在大量的氧化物。

從鈦鋼復合板復合界面細小未結合缺陷的能譜分析結果可以發現，未結合缺陷內表面形成了大量Mg、Al、Si等元素的氧化物。其中，Ti元素為復層Ti所含金屬元素，Fe元素為基層Q345B所含金屬元素，Mg、Al、Si和 Mn 為 Q345B 基層中向復合界面的擴散元素。采用軋制法制備鈦鋼復合板，一方面在基材和復材進行表面處理過程中，加工表面細小溝槽會強力吸附空氣；另一方面，在進行鈦鋼復合坯組坯過程中，鈦鋼待復合界面雖然經過抽高真空處理，但部分復合界面仍會出現氣體殘留。殘留的氣體在鈦鋼復合坯加熱和軋制過程中，會與基材表面金屬發生反應形成氧化層。針對 Q345B 基材含有的 Mg、Al、Si、Fe 等元素， 其金屬的標準自由能 ΔG0大小排序為 Mg＜Al＜Si＜Fe，則殘余氣體首先與Mg、Al、Si等元素發生反應形成氧化物。這些氧化物的存在，在軋制過程中阻礙了鈦、鋼之間形成冶金結合，雖然在軋制過程中會發生破碎、分散，但最后依然會形成未結合缺陷。受力時，則會在未結合缺陷處形成應力集中并延 展形成裂紋，最終導致復合界面開裂。

圖3 鈦鋼復合界面缺陷能譜分析

2.3 軋制鈦鋼復合板剪切斷口缺陷分析

為了進一步分析鈦鋼復合板復合界面的缺陷及其形成原因，對合格和不合格剪切試樣的斷口進行了掃描電鏡觀察，如圖 4（a）、4（b）所示。 從圖中可以發現，合格剪切試樣的斷口無夾雜、氣孔和未結合缺陷存在，斷口呈層片狀，鈦復層和Q345B基層形成了冶金結合，結合狀態良好。但不合格剪切試樣的斷口存在較多夾雜缺陷且斷口平滑，無階梯、撕裂特征。塊狀夾雜大小約為10～20 μm左右，呈點狀不均勻分布。

圖4 鈦鋼復合板剪切試樣斷口形貌

為確定塊狀夾雜的形成原因，對其進行了能譜分析，分析結果如圖5所示。從分能譜析結果可以發現，塊狀夾雜物主要含有C和Ti元素，則說明塊狀夾雜物主要由TiC脆性相構成。

圖5 不合格剪切斷口缺陷能譜分析

鈦復層和Q345B基層在加熱和軋制力作用下，會發生原子間結合，形成冶金連接。Q345B基層中的C元素在濃度梯度的作用下會向Ti復層擴散，在復合界面產生偏聚，形成了塊狀的TiC脆性相。由于形成的TiC脆性相較為粗大，且分布狀態為點狀、非彌散分布，不僅無法起到強化界面性能的作用，反倒形成了新的裂紋源。鈦鋼復合界面形成的TiC脆性相由于其無法在受力過程中隨基體發生塑性形變，在其邊緣形成了細小裂紋，進一步擴展則會引起復合界面的開裂。

3 結論

通過采用真空包覆組坯+熱軋技術制備了TA2/Q345B鈦鋼復合板，并對其復合界面微觀組織與相關力學性能的觀察和檢測，研究分析了復合界面的缺陷及其形成原因，可以得到以下結論：

（1）TA2/Q345B鈦鋼復合板復合界面易形成非均勻分布缺陷，該缺陷對鈦鋼復合板的拉伸性能和沖擊性能影響較小，但對抗剪切性能和彎曲性能影響較大。

（2）TA2/Q345B鈦鋼復合板復合界面清晰且連續，但存在細小的未結合缺陷，長度為2～8 μm，因組坯時復合界面處的殘留氣體而形成的Mg、Al、Si等氧化物會影響鈦、鋼在軋制過程中發生冶金結合。

（3）TA2/Q345B鈦鋼復合板復合界面存在塊狀TiC脆性相缺陷，該缺陷在其周圍易形成細小裂紋。