累积叠轧焊制备钛钢复合板的组织与结合界面.pdf

第5 9 卷第3 期 2007 年8 月 有色金属 N o n f e r r o t mM e u d s V 0 1 ．5 9 。N o ．3 A u g u s t2 00 7 累积叠轧焊制备钛钢复合板的组织与结合界面 何春雨a ，许荣昌b ，任学平8 ，李 红a 北京科技大学a ．材料科学与工程学院b ．高效轧制国家工程研究中心，北京1 0 0 0 8 3 摘要通过T A I I Q 2 3 5 的累积叠轧焊。研究T A I ／Q 2 3 5 复合板结合界面组织和T i 与F e 两元素的扩散情况。结果表明， T A l ／Q 2 3 5 的结合机制为裂口结合机棚，T i 比F e 扩散强烈。在实际轧制中要严格控制夹杂的含量，并要采用低温大变形加工。低 温累积叠轧的钢一钢结合完全接近基体组织。 关键词金属材料；钛钢复合板；累积叠轧焊；结合界面 中图分类号T G 3 3 5 ．5 ；T B 3 3 1 ；“ I ℃1 1 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 7 0 3 0 0 0 1 一0 4 T A l ／Q 2 3 5 复合板价格低廉，同时兼具钛和钢 材料的优良性能，因此正成为纯钛板之代替品而在 航空、化工等领域中应用。目前，几乎全部的T A l ／ 0 ．2 3 5 复合板都是采用爆炸法生产的。为克服爆炸 法生产成本高以及生产品种窄的不足，近年来，许多 国家开发了轧制复合板。 应用累积叠轧焊 A c c u m u l a t i v eR o UB o n d i n g ， 雕强 方法在热轧机上研究了T A l ／Q 2 3 5 在7 0 0 ℃ ～9 5 0 “ C 范围内进行的叠轧，并对T A l ／Q 2 3 5 复合 板在不同温度轧制4 道次和不同温度叠轧4 次两种 情况下T A l ／Q 2 3 5 复合板组织变化和复合界面T i 和F e 两元素的扩散情况进行了研究。 1实验方法 试验材料为首钢生产的工业用0 ．2 3 5 连铸方 坯，首先在热轧机上轧制成6 ．0 m m 厚的钢板并空 冷，T A l 为西北有色金属研究院生产，厚度为 0 ．6 r a m 。T A l 和O ．2 3 5 的化学成分如表l 所示。 表1T A l 和Q 2 3 5 的化学成分／％ 收稿日期2 0 0 5 一l l 一2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 4 7 5 1 7 4 作者简介何春] i W 1 9 7 9 一 ，男，河北街水市人，硕士，主要从事累 积叠轧焊制备双金属复合板等方面的研究。 将材料表面经过酸洗、脱脂、打磨等处理然后叠 合并在试样四周用手工电弧焊焊合在一起，第一组试 样分别在7 0 0 ℃，7 5 0 “ C ，8 0 0 ℃，8 5 0 1 2 四个温度下轧 制，在每个温度下4 个试样各轧制1 ～4 道次，第二组 试样分别在7 0 0 1 2 ，7 5 0 “ C ，8 0 0 “ C 。8 5 0 U ，9 0 0 “ C 五个温 度下轧制，在每个温度下5 个试样分别叠轧普碳钢0 ～3 次。试样经过机械抛光然后用4 ％的硝酸酒精侵 蚀显现组织，然后使用N 】弛P } Ⅲ∽眩l 大型光学显微镜 观察材料的金楣组织，应用C a m h r i _ d g e S 2 5 0 M K 2 型扫 描电子显微镜 S E M 观察材料的微观组织。 2 试验结果与分析 2 ．1 微观组织分析 ． 采用热轧法生产T A l ／Q 2 3 5 复合板。从其受力 以及变形上看，轧制温度不宜太高，轧制力较大复合 过程持续时间短，双金属界面始终处于保护性的环 境中[ 1 】。钛钢的复合过程中，对钛钢施加必要的能 量是使其复合的基本条件，由于钛、钢界面间存在的 化学反应，生成脆性相，所以钛钢复合有其特殊 性[ 1 】。由于钛在高温条件下具有较高的化学活性， 很容易与其他材料发生化学反应，形成不良产物，反 应层的厚度增加会使界面的结合强度急剧下降。复 相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替 地呈带状分布，这种组织称为带状组织，在经过压延 的金属材料中经常出现这种组织，当钢中存在较多 的夹杂物时，若夹杂物被变形拉成带状，在冷却过程 中先共析的铁素体通常依附于它们之上而析出，也 会形成带状组织[ 2 I 。带状组织使金属材料的机械 性能产生方向性，特别是横向的塑性和韧性明显降 低，使材料的切削性能恶化[ 2 】。如图1 所示。采用低 万方数据 2有‘色金属第5 9 卷 温大变形方法轧制温度7 0 0 ℃压下率为8 7 ．5 ％，由 图1 a 可以看出，在 2 3 5 的基体组织中有一定数 量的夹杂物，图1 b 中在钛钢的界面处形成带状双 金属化合物，带状化合物的尺寸小于晶粒尺寸。由 图1 c 可以明显的看出带状双金属化合物中有均 匀分布的黑色点状夹杂的分布。由于A R B 工艺固 有的界面人为处理，所以夹杂的物的出现亦不可避 免，所以在实际轧制中要严格控制夹杂的含量，并要 采用低温大变形加工，来降低反应层厚度，提高钛钢 复合板的结合强度。 图1轧制温度7 0 0 ℃压下率为8 7 ．5 ％下轧制复合板的金相组织照片 F i g ．1 M e t a U o g r a p h i ep i c t u r e r o l l i n gt e m p e r a t u r e7 0 0 1 2q u a n t i t yd e p r e s s e d8 7 ．5 ％ 。如图2 所示，由于累积变形量比较大，所以累积下达到临界变形量以上，界面结合完全可以接近基 叠轧的钢钢之间的结合还是比较紧密，研究表体强度。如图2 在2 8 0 0 倍扫描电镜下观察，结合缝 明[ 引，只要材料在叠合以前表面处理合理，一次压隙尺度远小于晶粒尺寸。 图2 累积叠轧钢一钢复合界面S E M 照片 F i g ．2S E Mp i c t u r eo fs t e e l ．s t e e li n t e r f a c e 2 ．2T i 和F e 两元素扩散分析 由反应扩散所产生的新相，既可以是新的固溶体，也 ‘微观分析表明，扩散是物质内部由于热运动而可以是各种化合物。由图3 可以看出钛、钢界面存 导致的原子或分子的迁移过程。宏观观测表明，在在的化学反应，生成新相，与图1 b 图带状双金属 有浓度梯度，化学位梯度，应力梯度或其他梯度存在化合物一致。反应层的厚度对钛钢复合的程度有很 的条件下，借热运动可以引起物质宏观的定向输送，大影响。图3 所示在钛钢结合界面出现对应的凸凹 这个输送过程称为扩散【4J 。结合组织，两侧对应的凸凹组织正是钛钢的结合点。 钛钢复合板沿结合界面剥离在扫描电镜现代科学认为，金属间的固态结合是一种化学反应， S E M 下观察，如图3 所示。钛钢两侧复合面的基这种反应的先决条件是固态金属间的物理接触⋯。 本形貌几乎一致，说明两种金属在热轧复合过程中在轧制开始道次，压下率较小时，双金属只在个别点 互扩散比较强烈。通过扩散使固溶体内的溶质组元产生接触，这时实际接触面积仅占总面积的很小部 超过固溶度而不断形成新相的过程称为反应扩散。分，在相互接触点上的作用应力大大超过屈服应力， 万方数据 第3 期何春雨等累积叠轧焊制备钛钢复合板的组织与结合界面 3 并引起微观凸出点弹性，塑性变形，以后逐步进入全 面的物理接触。 材料的表面经过加工硬化引起应力集中，在轧 制过程中材料表面破裂露出新鲜的材料从而使材料 相互融合，由于摩擦力的作用材料的表面粘结在一 起流动，在压应力和切向应力的共同作用下晶粒发 生了压缩、转动、晶界遭到破坏，出现显微孔隙，若再 经过进一步的变形新鲜的金属更容易流出从而使得 界面的结合更加紧密。这种结合机制称为裂口结合 机制[ 引。 a 一钢侧； b 一钛侧 图3轧制温度7 0 0 ℃压下率6 6 ．7 ％钛钢结合界面的S E M 照片 F i g ．3 S E Mp i c t u r eo fT A l 一Q 2 3 5b o n d i n gs u r f a c e q u a n t i t y d e p r e s s e d6 6 ．7 ％。r o l l i n gt e m p e r a t u r e7 0 0 “ 3 图4 轧制温度8 0 0 ℃累积变形量9 3 ．6 ％钛钢界面成分线扫描照片 F i g ．4 L i n eS E Mp i c t u r edT A l 一O ．2 3 5i n t e r l a c e ’sc o m p o n e n t s q u a n t i t yd e p r e s s e d9 3 ．6 ％。r o i l i n gt e m p e r a t u r e8 0 0 “ 3 在扩散过程中，物质的扩散流量，即单位时间内个组元沿着扩散方向z 的浓度梯度；D 为一比例常 通过单位横截面积所输送的物质量是和这个物质横 数，称为这个组元的扩散系数；负号表示扩散方向与 跨这一截面的浓度梯度成正比。若仅考虑一维，则 浓度梯度方向相反，即扩散是向着浓度梯度减小的 这个关系可用菲克第一定律J 一D a c ／a x 来表 方向而进行的[ 鲥。由于结合界面两侧T i 和F e 元素 示。其中J 表示某一组元的扩散流量；a c ／a x 表示这 的浓度梯度较大，由图4 可以看出钛元素相对于铁 万方数据 4有色金属第5 9 卷 元素扩散更为活跃，扩散量也比较大，这是由于由 T A I 和Q 2 3 5 的成分歹n 表中可以看出T A l 中含有 一定数量的F e 元秦，而Q 2 3 5 中不含有T i 元素，结 合界面T i 元素的浓度梯度要大于F e 元素。更重要 的是因为钛在高温条件下具有较高的化学活性，很 容易与其他材料发生化学反应，所以钛向钢侧的扩 散量比钢向钛侧的扩散量要大得多，而且在结合界 面呈连续分布的状态，表明扩散状态并没有停止。 一般来说，表面的扩散系数最大，晶内的扩散系 数最小，晶界的扩散系数介于二者之间【5J 。如图5 g r e yf i l e 1 2 8 x 】瑚 所示，在钛钢结合界面处F e 元素的含量出现富积， 这和图4 结合界面处铁元素的聚集状态相一致，这 是由于F e 元素沿结合界面的扩散速度显著大于在 T A l 中的扩散速度。而T i 元素向Q 2 3 5 中扩散时 并没有出现F e 元素那样的情况，T i 元素在结合界 面和在Q 2 3 5 基体内的分布几乎一致，说明T i 元素 在结合界面和Q 2 3 5 基体内部的扩散系数相差不 大。这是F e 和T i 元素不同的化学性质决定的，T i 的化学活性要比F e 活泼。 F e K a 6 2 6 06 5 4 4 1 2 8 1 2 8 图5 轧制温度8 0 0 ℃累积变形量9 3 ．6 ％钛钢界面面扫描T i F e 元素分布 F i g ．5 F a c eS E Mp i c t u r eo fT A l 0 2 3 5i n t e r f a c e ’sc o m p o n e n t q u a n t i t yd e p r e s s e d9 3 ．6 ％，r o i l i n gt e m p e r a t u r e8 0 0 “ C 3缝掺 和F e 两元素在热轧过程中都有很强的扩散但T i J两圯 元素比F e 元素扩散要强烈很多。在实际轧制中要 累积叠轧的钢一钢界面结合完全可以接近基体严格控制夹杂的含量，并要采用低温大变形加工，来 强度，T A l ／Q 2 3 5 的结合机制为裂I Z l 结合机制。T i降低反应层厚度，提高钛钢复合板的结合强度。 参考文献 [ 1 ] 张继良．钛／钢复合板热轧工艺及机理研究[ D 】．沈阳东北工学院，1 9 8 9 5 4 5 8 ． [ 2 ] 崔忠圻，刘北兴．金属学与热处理原理[ M ] ．啥尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 8 1 6 9 1 7 0 ． [ 3 ] T s u j iN ，T o y o d aT ，M i n a m i n oY ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r a lc h a n g eo fu l t r a f i n e g r a i n e da l u m i n u md u r i n gh i g h s p e e dp l a s t i cd e f o r m a r i o n [ J ] ．M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，A 3 5 0 1 0 8 1 1 6 ． ’ 【4 ] 宋维锡．金属学 修订本 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 9 1 6 5 ． [ 5 ] T s u j iN ，U e j iR ，M i n a m i n oY 。N a n o s c a l ec r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i so fu l t r a f i n eg r a i n e dI Fs t e e lf a b r i c a t e db yA R Bp r o c e s s [ J ] ． S e r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 ，4 7 6 9 7 6 ． M i c r o s t r u c t u r ea n dB o n d i n gI n t e r f a c eo fT A l ／Q 2 3 5C l a d eP l a t eM a n u f a c t u r e db yA R BP r o c e s s 皿C h u n - 3 m 4 ，X UR o n g - c h a n g b ，R E NX u e - p i n g ‘，L Ih o n 9 4 4 ．S c h o o lo fm a t e r m ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，b ．N a t i o n a lE n g i n e e 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