TA2/Q345B钛钢复合板复合界面缺陷分析

蒋健博，王长顺，及玉梅，付魁军，王佳骥，刘芳芳

（鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁鞍山114009）

钛的一个显著特点是耐腐蚀性强，这是由于它对氧的亲合力特别大，能在其表面上生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。因此钛被大量用作各种化学反应容器、热交换器材料及防腐蚀领域，但缺点是成本较高，特别是作为结构部件使用时尤为突出[1-2]。钛钢复合板兼具钢的良好力学性能以及钛在强腐蚀环境下的优异耐蚀性能，解决了纯钛应用的高成本问题，已经在机械、航空航天、建筑、核能、石油化工和海洋工程等工业领域得到推广和应用[3-4]。

目前，国外生产钛钢复合板的工艺主要以轧制复合法为主，与爆炸法、爆炸-轧制法相比，轧制复合法在制备工艺、经济成本、产品规格和环境保护方面均具有明显的优势，是未来钛钢复合板制备技术的主要发展方向[5-6]。在现有的研究中，对于钛钢复合板制备工艺中添加过渡金属以提高钛钢复合强度的研究较多，如王敬忠等人采用工业纯铁和紫铜作为中间夹层材料，研究分析了不同的过渡金属对轧制钛钢复合板复合性能的影响[7]，马英等人分别采用紫铜T2、镍N6、纯铁DT4作为过渡金属，对其轧制钛钢复合板的复合性能进行了检验分析[8]，而对轧制钛钢复合界面易发生的缺陷及其形成原因开展的研究工作相对较少。钛钢复合界面易出现的缺陷直接影响到钛钢的复合质量，缺陷的深入研究对于制造高品质的钛钢复合板和提高其性能稳定性具有重要意义。

钛钢复合界面的质量直接影响钛钢复合板的整体性能，文中以钛钢复合板为研究对象，采用真空电子束焊接技术制备复合板坯，通过加热、轧制得到钛钢复合板，对钛钢复合界面进行比较分析，研究复合界面的缺陷种类和形成原因。

1 试验材料与方法

采用TA2工业纯钛板和Q345B低合金钢为试验材料，规格分别为3 mm×150 mm×200 mm和50 mm×190 mm×240 mm，其中TA2钛板作为复层金属，Q345B低合金钢作为基层金属，其化学成分分别见表1和表2。

表1 TA2钛板化学成分（质量分数） %

表2 Q345B低合金钢化学成分（质量分数） %

钛钢复合坯的组坯形式为非对称包覆组坯，采用包覆金属层+TA2钛板+Q345B连铸坯依次叠放的顺序，钛板四周采用Q345B低合金钢夹条进行填充。其中，包覆金属层为Q345B低合金钢，规格为5 mm×190 mm×240 mm。组坯前，需要对复合坯表面进行打磨和酒精擦拭，去除待复合界面和焊接区域内的铁锈和油污。另外，为了防止钛板与包覆金属层在轧制的过程中发生接触、结合，需要在包覆层侧涂覆隔离剂。试验选择的隔离剂为FHP-147，在-35℃至1 450℃内，在炉时间19 h内可以实现钛板与包覆层金属的完全隔离。组坯完成后，送入真空室，当真空度≤10-2Pa时，采用真空电子束焊接技术对TA2/Q345B钛钢复合板坯进行组坯焊接，焊接参数为电压U为60 kV，电流I为 80～100 mA，速度v为 300～400 mm/min。 组坯焊接完成后，经过加热和轧制得到TA2/Q345B钛钢复合板。

采用Z1200电液伺服拉伸材料试验机对钛钢复合板进行拉伸和剪切试验，采用ZBC2602全自动冲击试验机进行冲击韧性检测，试验温度为室温。采用WB-1000电液伺服弯曲试验机进行弯曲试验，弯曲角度为180°，弯心直径d=2a。力学性能检测中所涉及的取样数量、方向和位置以及检测标准均按照复合钢板力学及工艺性能试验方法（GB/T 6396-2008）进行。另外，还切取了金相试样，对TA2/Q345B钛钢复合板复合界面进行了组织状态观察并采用扫描电镜进行能谱分析。

2 试验结果与讨论

2.1 轧制钛钢复合板力学性能分析

为了研究轧制钛钢复合板的界面缺陷种类和形成原因，按照钛钢复合板相关国家标准对其综合性能进行检验评价，检验结果如表3所示。

从表3中可以看出，通过真空包覆组坯+热轧技术制备的钛钢复合板拉伸相关性能和室温冲击性能满足国家标准要求，但复合界面抗剪切性能不稳定且抗剪切强度不达标。同时，在进行弯曲性能检验时也出现了复合界面开裂的问题。从力学性能检验结果可以发现，钛钢复合板复合界面形成的缺陷对其拉伸和冲击性能影响较小，对其抗剪切性能和弯曲性能影响较大。由于钛钢复合板复合界面存在缺陷，在进行复合界面抗剪切性能检验时出现的波动较大，最高的抗剪切性能达到320 MPa，远高于国家标准140 MPa的要求，但最低的抗剪切性能仅有90 MPa。同时，在进行弯曲检验时，钛钢复合板复合界面也出现了开裂和未开裂两种情况，这说明钛钢复合板复合界面形成的缺陷分布不均匀，当复合界面存在较大缺陷或缺陷集中时，则会出现抗剪切性能较低和弯曲检验复合界面开裂等问题。

2.2 轧制钛钢复合板界面组织缺陷分析

为了研究分析钛钢复合板复合界面存在缺陷的种类和形成原因，对其复合界面在未腐蚀的条件下进行了微观组织观察，如图1所示。从图中可以发现，钛钢复合板复合界面复合状态良好，形成了冶金结合，钛与碳钢之间复合界面清晰，且平滑连续，未见大量连续未结合缺陷存在，但发现复合界面存在微米级的点状未结合缺陷。

为了进一步分析钛钢复合板复合界面缺陷的特征，采用4%的硝酸酒精对钛钢复合板横切面进行了腐蚀，在金相显微镜下观察，其结果如图2（a）所示，从图中可以看出，钛层和碳钢层之间形成了冶金连接，整体复合状态良好，Q345B基层由珠光体和铁素体组织构成，TA2复层由α钛组织构成，在复合界面Q345B侧存在厚度为5 μm左右的脱碳层。如图2（b）所示，在复合界面处发现存在细小的未结合缺陷，其长度约为15 μm，分布状态为散点非连续分布。

图1 未腐蚀的钛钢复合板界面组织特征

图2 腐蚀后的钛钢复合板结合界面组织特征

为了确定其形成原因，对其复合界面间隙内表面进行了能谱分析，分析结果如图3所示。从能谱分析结果可以看出，未结合缺陷内表面存在大量的氧化物。

从钛钢复合板复合界面细小未结合缺陷的能谱分析结果可以发现，未结合缺陷内表面形成了大量Mg、Al、Si等元素的氧化物。其中，Ti元素为复层Ti所含金属元素，Fe元素为基层Q345B所含金属元素，Mg、Al、Si和 Mn 为 Q345B 基层中向复合界面的扩散元素。采用轧制法制备钛钢复合板，一方面在基材和复材进行表面处理过程中，加工表面细小沟槽会强力吸附空气；另一方面，在进行钛钢复合坯组坯过程中，钛钢待复合界面虽然经过抽高真空处理，但部分复合界面仍会出现气体残留。残留的气体在钛钢复合坯加热和轧制过程中，会与基材表面金属发生反应形成氧化层。针对 Q345B 基材含有的 Mg、Al、Si、Fe 等元素， 其金属的标准自由能 ΔG0大小排序为 Mg＜Al＜Si＜Fe，则残余气体首先与Mg、Al、Si等元素发生反应形成氧化物。这些氧化物的存在，在轧制过程中阻碍了钛、钢之间形成冶金结合，虽然在轧制过程中会发生破碎、分散，但最后依然会形成未结合缺陷。受力时，则会在未结合缺陷处形成应力集中并延 展形成裂纹，最终导致复合界面开裂。

图3 钛钢复合界面缺陷能谱分析

2.3 轧制钛钢复合板剪切断口缺陷分析

为了进一步分析钛钢复合板复合界面的缺陷及其形成原因，对合格和不合格剪切试样的断口进行了扫描电镜观察，如图 4（a）、4（b）所示。 从图中可以发现，合格剪切试样的断口无夹杂、气孔和未结合缺陷存在，断口呈层片状，钛复层和Q345B基层形成了冶金结合，结合状态良好。但不合格剪切试样的断口存在较多夹杂缺陷且断口平滑，无阶梯、撕裂特征。块状夹杂大小约为10～20 μm左右，呈点状不均匀分布。

图4 钛钢复合板剪切试样断口形貌

为确定块状夹杂的形成原因，对其进行了能谱分析，分析结果如图5所示。从分能谱析结果可以发现，块状夹杂物主要含有C和Ti元素，则说明块状夹杂物主要由TiC脆性相构成。

图5 不合格剪切断口缺陷能谱分析

钛复层和Q345B基层在加热和轧制力作用下，会发生原子间结合，形成冶金连接。Q345B基层中的C元素在浓度梯度的作用下会向Ti复层扩散，在复合界面产生偏聚，形成了块状的TiC脆性相。由于形成的TiC脆性相较为粗大，且分布状态为点状、非弥散分布，不仅无法起到强化界面性能的作用，反倒形成了新的裂纹源。钛钢复合界面形成的TiC脆性相由于其无法在受力过程中随基体发生塑性形变，在其边缘形成了细小裂纹，进一步扩展则会引起复合界面的开裂。

3 结论

通过采用真空包覆组坯+热轧技术制备了TA2/Q345B钛钢复合板，并对其复合界面微观组织与相关力学性能的观察和检测，研究分析了复合界面的缺陷及其形成原因，可以得到以下结论：

（1）TA2/Q345B钛钢复合板复合界面易形成非均匀分布缺陷，该缺陷对钛钢复合板的拉伸性能和冲击性能影响较小，但对抗剪切性能和弯曲性能影响较大。

（2）TA2/Q345B钛钢复合板复合界面清晰且连续，但存在细小的未结合缺陷，长度为2～8 μm，因组坯时复合界面处的残留气体而形成的Mg、Al、Si等氧化物会影响钛、钢在轧制过程中发生冶金结合。

（3）TA2/Q345B钛钢复合板复合界面存在块状TiC脆性相缺陷，该缺陷在其周围易形成细小裂纹。