銅/不銹鋼爆炸焊界面組織及性能

姜超，龍偉民,，馮健，張雷，張碩

(1.鄭州機械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001；2.中機智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700；3.舞鋼神州重工金屬復(fù)合材料有限公司，河南 平頂山 462500)

0 前言

隨著先進裝備制造向高性能、高可靠、高精度、低成本、結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展，單一結(jié)構(gòu)材料已難以滿足更高要求，高性能異質(zhì)復(fù)合材料重要性日益凸顯[1]。銅/不銹鋼復(fù)合構(gòu)件因其能夠克服單一銅材作為結(jié)構(gòu)材料強度低、成本高的問題，充分發(fā)揮銅良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐蝕性，綜合利用不銹鋼高強度、高耐蝕性的特點，在核電站和真空室換熱系統(tǒng)[2-3]、銅電解精煉設(shè)備[4]、核聚變試驗裝置[5-6]等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。

爆炸焊是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊波，驅(qū)動金屬材料發(fā)生高速運動和碰撞，從而實現(xiàn)冶金結(jié)合的特種焊接技術(shù)，利用爆炸焊技術(shù)可以實現(xiàn)銅/不銹鋼[5-7]、鋼/不銹鋼[8]、鈦/鋼[9-10]、銅/鋁[11-12]等眾多異質(zhì)金屬大厚度、大面積復(fù)合，結(jié)合強度高、質(zhì)量好。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，爆炸焊已經(jīng)成為國內(nèi)工業(yè)上生產(chǎn)銅/不銹鋼層狀復(fù)合材料的主要生產(chǎn)方法之一[13]。在理論研究方面，研究人員提出了很多關(guān)于波狀界面的形成機理，主要有覆板流侵徹機理、渦街機理、流體不穩(wěn)定機理、應(yīng)力波機理4種，然而尚未有一種成熟的理論得到研究人員的普遍認(rèn)同，仍需進一步對波狀界面的結(jié)合特征進行研究。

文中采用經(jīng)驗公式估算的爆炸焊工藝參數(shù)，制備了銅/不銹鋼爆炸焊復(fù)合板。通過對復(fù)合界面組織形貌、成分、顯微硬度、結(jié)合強度及板材拉伸試驗結(jié)果進行分析，探究材料組織和性能的變化特征，以期為爆炸焊波狀界面形成機理的研究提供參考。

1 試驗材料及方法

爆炸焊覆板采用T2紫銅，基板采用06Cr19Ni10不銹鋼，兩種材料規(guī)格均為400 mm × 400 mm ×8 mm,不銹鋼的化學(xué)成分見表1，兩種材料的主要力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表2 銅和不銹鋼的力學(xué)性能

1.1 工藝參數(shù)計算

爆炸焊試驗采用平行安裝法進行，如圖1所示。采用預(yù)先配置的粉狀乳化銨油炸藥，爆炸速度2 500 m/s，密度0.60 g/cm3。計算裝藥厚度及板間隙距離的經(jīng)驗公式如式(1)和式(2)所示[14]：

圖1 爆炸焊示意圖

(1)

h=0.2(δ0+δ1)

(2)

式中：Kg為裝藥系數(shù)，取值1.4；δ0，δ1分別為裝藥厚度和覆板厚度；ρ0，ρ1分別為炸藥密度和覆板密度；h為板間隙距離。

覆板T2紫銅密度為8.90 g/cm3，厚度為8 mm，由式(1)和式(2)可計算出理論裝藥厚度為6.226 1 cm，兩板間隙距離約為1.405 2 cm。為確保試驗精度對計算的參數(shù)進行修正，實際裝藥厚度為62 mm，板間隙14 mm。

1.2 微觀組織觀察

爆炸焊試驗完成后，沿爆轟波方向?qū)ψ香~/不銹鋼復(fù)合板進行切割取樣，金相腐蝕劑采用氯化高鐵鹽酸水溶液。采用Zeiss AxioVert.A1金相顯微鏡進行界面組織觀察，采用帶有能譜分析功能的Zeiss EVO 10掃描電鏡進行背散射圖像采集和成分分析，采用Phenom XL臺式掃描電鏡進行斷口形貌觀察。

1.3 力學(xué)性能試驗

采用MTS E45.105電子萬能試驗機進行力學(xué)性能試驗。顯微硬度分析采用HV-1000A維氏硬度儀，載荷100 g，保荷15 s。結(jié)合強度檢測參照GB/T 6396—2008進行，試樣及試驗裝置剖視圖如圖2a所示。拉伸試驗參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，加載速率為2 mm/min，試樣尺寸如圖2b所示。

圖2 力學(xué)性能試驗試樣示意圖

2 結(jié)果及討論

2.1 組織形貌及成分分析

銅/不銹鋼爆炸焊界面組織如圖3所示。銅與不銹鋼爆炸焊后形成了規(guī)律的波狀界面，波長在850 μm左右，波高約為350 μm左右，宏觀上沒有明顯可見的中間結(jié)合層，在波狀界面波谷與波峰附近可見到漩渦狀的鑄態(tài)組織(圖3a)。研究表明，波狀界面的形成能夠增大銅與不銹鋼界面的結(jié)合面積，并阻止裂紋的傳播，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[15]。而爆炸焊過程中射流的產(chǎn)生是形成良好波狀界面的重要基礎(chǔ)[16]，在脈沖爆炸沖擊波的作用下，覆板與基板高速碰撞，劇烈塑性變形的同時產(chǎn)生高溫高壓形成金屬射流，射流沖刷基、覆板表面形成活化結(jié)合面，促進了波狀界面的形成。漩渦狀組織是基板和覆板在脈沖壓力作用下，周期性捕獲射流形成的鑄態(tài)組織，它能夠反應(yīng)波狀界面形成的運動規(guī)律，是爆炸焊典型的界面特征之一。根據(jù)相對界面位置的不同及爆炸沖擊波的運動方向，可將漩渦組織分為前漩渦與后漩渦，如圖3b所示。圖中還觀察到紫銅呈明顯的退火孿晶結(jié)構(gòu)，并在靠近界面處發(fā)生了再結(jié)晶，大量細小的晶粒集中在界面附近；不銹鋼靠近界面區(qū)域為劇烈變形的奧氏體組織，部分晶粒呈流線型，波谷附近還觀察到典型的絕熱剪切帶(ASB)組織。遠離界面區(qū)域組織主要為板條狀馬氏體和殘余奧氏體。界面附近與遠離界面組織存在差異，這與其塑性變形程度有關(guān)，06Cr19Ni10不銹鋼對應(yīng)變比較敏感，應(yīng)變的增加有利于馬氏體的形成，然而靠近界面區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)馬氏體的相變，這是由于高速應(yīng)變引起的溫度升高會抑制馬氏體晶胚的長大。此外，在炸藥高速沖擊載荷的作用下，波谷附近區(qū)域剪切變形量可達10～100，應(yīng)變率達1×105～1×107s-1，溫度急劇上升，且升溫速度高于熱傳導(dǎo)速度，從而導(dǎo)致絕熱剪切帶的形成[15]。

圖3 爆炸焊界面微觀組織

圖4為界面附近組織的背散射圖像。分別對前、后漩渦部分區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果如圖4a所示，后漩渦區(qū)域中Cu含量高于前漩渦區(qū)域，而不銹鋼組成元素如Fe，Cr，Ni的含量低于前漩渦區(qū)域，這表明基板和覆板在不同區(qū)域參與形成漩渦組織的熔化比例不同。對區(qū)域A放大以觀察漩渦組織形貌，如圖4b所示，漩渦組織主要由銅基體相、灰色顆粒狀析出相和破碎狀不銹鋼微粒組成。銅基體相(P4)含有少量的Fe，由銅-鐵二元相圖可推斷基體相為ε-Cu相?；疑w粒狀析出相(P3)主要由Cu，F(xiàn)e，Cr，Ni元素組成，由于界面間金屬射流的凝固速度較快，熔體冷卻速度達1×103～1×104℃/s[16-17]，且高含量的Ni能夠保留富鐵相的奧氏體結(jié)構(gòu)[18]，因此推斷灰色析出相為γ-Fe相。進一步觀察界面形貌(區(qū)域B)，紫銅與不銹鋼之間固相結(jié)合，擴散層厚度約在1.5 μm左右，如圖4c～圖4d所示。

圖4 界面組織的背散射圖像

2.2 顯微硬度

為進一步分析波狀界面附近區(qū)域硬度分布情況，分別間距50 μm測定界面附近區(qū)域7×14個點位的硬度值，得到該區(qū)域顯微硬度分布云圖，如圖5所示?？梢钥闯鼋缑鎯蓚?cè)顯微硬度隨著與界面距離的增加而逐漸減小，且前漩渦硬度大于后漩渦[19]。

圖5 界面區(qū)域顯微硬度分布云圖

結(jié)合組織分析結(jié)果可知，材料硬度的提高歸因于爆炸焊過程對近界面區(qū)產(chǎn)生的加工硬化和晶粒細化現(xiàn)象，而加工硬化程度隨離界面距離的增加而降低，界面附近大量的細化晶粒能夠阻礙位錯的運動，導(dǎo)致材料硬度的增加。此外，前漩渦較后漩渦γ-Fe顆粒的含量更高，對銅基體的彌散強化作用更強，使其具有較高的硬度。

2.3 結(jié)合強度檢測

為評價銅與不銹鋼爆炸復(fù)合的結(jié)合質(zhì)量，對其結(jié)合強度進行檢測，試驗后試樣的宏觀形貌如圖6所示。試樣在銅側(cè)斷裂失效，未在界面處發(fā)生分離，斷裂強度最高為280.3 MPa，達到銅母材(板材)抗拉強度的92.2 %。試驗表明紫銅/不銹鋼爆炸復(fù)合界面結(jié)合質(zhì)量較好，結(jié)合強度高于銅的強度。

圖6 結(jié)合強度檢測試樣斷后宏觀形貌

2.4 拉伸試驗及斷口分析

由于結(jié)合強度檢測試驗中斷裂發(fā)生在紫銅側(cè)，為了觀察斷裂失效后復(fù)合界面區(qū)域斷口形貌，進行了紫銅/不銹鋼爆炸焊復(fù)合板的拉伸試驗，試驗結(jié)果見表3。試樣平均抗拉強度559 MPa、平均屈服強度347 MPa，拉伸過程中沒有觀察到明顯的屈服平臺，隨著應(yīng)變量的提高，名義應(yīng)力平穩(wěn)增長，呈現(xiàn)顯著的應(yīng)變強化特征，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

表3 紫銅/不銹鋼復(fù)合板拉伸試驗結(jié)果

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8為爆炸焊復(fù)合板拉伸試樣斷口形貌照片，整個斷口由紫銅斷裂區(qū)、不銹鋼斷裂區(qū)、界面結(jié)合區(qū)3個區(qū)域組成。這3個區(qū)域都觀察到大量的韌窩特征，表明材料在斷裂過程中發(fā)生了充分的塑性變形。銅斷裂區(qū)的拉伸斷口呈典型的韌性斷裂特征，韌窩尺寸大而深，斷口起伏較大，如圖8b所示。不銹鋼斷裂區(qū)宏觀形貌呈纖維狀，顏色灰暗，微觀上由韌窩花樣構(gòu)成，韌窩尺寸相對銅斷裂區(qū)較小，且表面較為平整，如圖8c所示。界面結(jié)合區(qū)如圖8d～圖8f所示，左部靠近不銹鋼斷裂區(qū)一側(cè)為準(zhǔn)解理斷口形貌夾雜少量韌窩，中部可以同時觀察到韌窩狀韌性斷口及河流狀脆性準(zhǔn)解理斷口，說明在紫銅與不銹鋼爆炸復(fù)合后，界面結(jié)合區(qū)塑性有所降低。

圖8 斷口形貌

對斷裂后的拉伸試件磨拋后觀察界面形貌，如圖9所示。斷后波狀界面波峰區(qū)域未發(fā)生明顯變形，波谷區(qū)域明顯拉長，呈凹槽狀，槽底中部及漩渦區(qū)域有少量裂紋萌生。槽底裂紋萌生后向不銹鋼一側(cè)斜向擴展，為斷裂主裂紋源，漩渦組織缺陷未對斷裂失效的產(chǎn)生明顯影響。

圖9 斷后界面形貌

3 結(jié)論

(1)銅與不銹鋼爆炸焊后形成了規(guī)律的波狀界面，波長在850 μm左右，波高約為350 μm左右。界面主要為固相結(jié)合，波峰與波谷區(qū)域分別嵌入了不連續(xù)的漩渦狀鑄態(tài)組織，該組織主要由ε-Cu基體、γ-Fe析出相及不銹鋼微粒組成。

(2)不銹鋼在靠近界面區(qū)域發(fā)生了劇烈的塑性變形，波谷附近形成了絕熱剪切帶，在遠離界面區(qū)域發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。

(3)爆炸復(fù)合界面的結(jié)合強度達280.3 MPa，界面附近組織的顯微硬度明顯提高；復(fù)合板拉伸斷口界面結(jié)合區(qū)呈混合斷裂特征。