樊科社，李平倉，吳江濤，王虎年

(西安天力金屬復(fù)合材料有限公司， 西安 710201)

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爆炸焊接法制備大面積鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板

樊科社，李平倉，吳江濤，王虎年

(西安天力金屬復(fù)合材料有限公司， 西安 710201)

在小板實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板進(jìn)行了研制，確定了爆炸焊接工藝參數(shù)并結(jié)合力學(xué)性能及結(jié)合界面質(zhì)量進(jìn)行綜合評估。結(jié)果表明：試制的大面積鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板完全符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

爆炸復(fù)合；鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板；力學(xué)性能

爆炸復(fù)合是爆炸加工領(lǐng)域的一種新型加工工藝，主要用于實(shí)現(xiàn)有色金屬,不銹鋼材、稀有金屬與低合金鋼、不銹鋼、碳鋼或其他材料的大面積焊接，得到層狀金屬復(fù)合材料[1～3]。該種復(fù)合材料具有耐腐蝕，耐高溫，耐磨等優(yōu)良性能，同時(shí)基層金屬具有良好的力學(xué)性能和加工性能。這樣就節(jié)省大量的稀有金屬、有色金屬、不銹鋼材。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，該種復(fù)合材料已被廣泛地應(yīng)用于化工、制藥、冶煉等行業(yè)。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，稀有金屬的抗腐蝕性能也有差異。這種差異一方面表現(xiàn)在不同材質(zhì)對同種腐蝕條件下抗腐蝕性的差異，例如在氯化氫的氛圍中，不銹鋼零部件的使用壽命僅3個月，而使用0.2 mm的鉭板代替，使用壽命可達(dá)20年之久。另一方面表現(xiàn)在同種材質(zhì)對不同腐蝕條件下抗腐蝕性的差異。例如鈦材在常溫下，對4%濃度的硫酸表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性，但當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，其腐蝕速率將增大6倍。實(shí)際生產(chǎn)中，同一臺設(shè)備多數(shù)情況下，往往接觸到不同狀態(tài)下的腐蝕液，導(dǎo)致單一的耐腐蝕金屬復(fù)合板不能滿足實(shí)際生產(chǎn)條件的要求。而采用不同材質(zhì)的金屬復(fù)合板，不同稀有金屬間的高品質(zhì)焊接又很難實(shí)現(xiàn)[4～8]。如能使用多層稀有金屬復(fù)合板，并在使用中通過每層邊部剝離后實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)焊接，就可大大減少材料的浪費(fèi)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 材質(zhì)規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)

材質(zhì)：Ta1/Zr-3(R60702)/TA1/Q345R

規(guī)格：1.5/3/2/24×2 000×4 500 mm

技術(shù)指標(biāo)：按ASTM B898—2005標(biāo)準(zhǔn)，主要指標(biāo)如下：① 面積結(jié)合率為B級，不小于97%，單個缺陷直徑不大于75 mm；② 剪切強(qiáng)度不小于137.9 MPa。

1.2 原材料力學(xué)性能

原材料力學(xué)性能見表1。

表1 力學(xué)性能

2 工藝路線

基復(fù)板準(zhǔn)備→基復(fù)板表面處理→基復(fù)板組配→鋯、鈦、鋼板三層一次爆炸復(fù)合→UT(超聲波探傷)檢驗(yàn)→退火處理→校平處理→性能檢驗(yàn)→表面處理→鉭、鋯/鈦/鋼復(fù)合板組配→爆炸復(fù)合→UT檢驗(yàn)→退火處理→校平處理→后續(xù)處理(切割、UT、表面處理、性能檢測等)。

3 試驗(yàn)用炸藥的選擇

本項(xiàng)目采用國家定點(diǎn)生產(chǎn)的銨油炸藥，由于所采購炸藥的性能爆速過高，無法滿足本項(xiàng)目技術(shù)要求，因此，在國家政策范圍內(nèi)，加入添加劑改變炸藥性能。

添加劑的選擇原則是：與主體炸藥有很好的相容性，符合技術(shù)要求。本文選用的添加劑包括滑石粉、食鹽，表2所列為本項(xiàng)目使用添加劑后的炸藥性能參數(shù)。

表2 使用添加劑后的炸藥性能參數(shù)

綜合對比表中所列4種炸藥的性能參數(shù)，可知2#炸藥達(dá)到所期望的低爆速高猛度要求，故采用2#炸藥作為本實(shí)驗(yàn)所用炸藥。

4 小試板試驗(yàn)

在研制好具有穩(wěn)定爆轟距離的炸藥后，對小試板進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

1) 小試板規(guī)格

小試板的編號為1-1#。

規(guī)格：1.5/3/2/24×400×2 500 mm

2) 基復(fù)板表面處理及光潔度測試

爆炸復(fù)合要求基復(fù)板表面光、潔、凈，基復(fù)板的表面光潔度越高，其復(fù)合后結(jié)合質(zhì)量也越高，因此在爆炸復(fù)合之前需對基復(fù)板進(jìn)行表面處理?；鶑?fù)板表面拋光后每層復(fù)合面光潔度測試數(shù)值如表3所示。

表3 每層待復(fù)合面光潔度平均值

對試板1-1#的每層待復(fù)合面進(jìn)行光潔度測量后，其結(jié)果符合爆炸焊接光潔度的內(nèi)控要求，可以進(jìn)行爆炸復(fù)合?，F(xiàn)場進(jìn)行光潔度測量，如圖1所示。

圖1 光潔度測試

3) 鋯/鈦/鋼的雙層一次爆炸復(fù)合

鋯/鈦/鋼的雙層一次爆炸(起爆位置在短邊中部)，藥高45～65 mm，支撐高度(即基復(fù)板之間的間隙，為復(fù)板碰撞基板提供一定的加速度空間)3～8/4～12 m。布藥方式如圖2所示。

4) 性能檢驗(yàn)

小板爆炸復(fù)合后(如圖3)，進(jìn)行UT檢驗(yàn)，結(jié)果為除雷管區(qū)外全部結(jié)合良好，然后進(jìn)行消應(yīng)力退火處理。熱處理制度為：箱式電阻爐加熱，隨爐升溫，在540±10 ℃保溫3 h，爐冷至≤300 ℃，出爐空冷。試板出爐冷卻后進(jìn)行校平處理，再進(jìn)行UT檢驗(yàn)，結(jié)果為除雷管區(qū)外全部結(jié)合良好。校平進(jìn)行UT檢驗(yàn)后對試板取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)。

圖2 炸藥布置

圖3 爆炸復(fù)合后外觀

20 ℃ M態(tài)下鋯/鈦/鋼爆炸復(fù)合板熱處理后鈦/鋼界面的剪切強(qiáng)度為230 MPa，鋯/鈦界面為250 MPa，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求(137.9 MPa)。由金相照片(如圖4所示)分析，呈現(xiàn)規(guī)律的波狀界面結(jié)合，無明顯熔化現(xiàn)象，結(jié)合狀態(tài)優(yōu)良。

圖4 小試板鋯/鈦/鋼金相照片

5) 鉭與鋯/鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行爆炸復(fù)合

復(fù)合前對復(fù)合面進(jìn)行了基復(fù)板的光潔度測量，具體數(shù)值如表3所示；鉭與鋯/鈦/鋼復(fù)合板的爆炸(起爆位置在短邊中部)復(fù)合工藝參數(shù)，藥高35～65 mm，支撐高度3～10 mm。

6) 性能檢驗(yàn)

爆炸復(fù)合后，進(jìn)行UT檢驗(yàn)，結(jié)果為除雷管區(qū)外全部結(jié)合良好。然后進(jìn)行消應(yīng)力退火處理，熱處理前采用抗氧化涂層對鋯鈦鋼復(fù)合板表面及側(cè)面進(jìn)行保護(hù)。熱處理制度為：箱式電阻爐加熱，隨爐升溫，在540±10℃保溫3h，爐冷至≤300 ℃，出爐空冷。試板出爐冷卻后進(jìn)行校平處理，再進(jìn)行UT檢驗(yàn)，結(jié)果為除雷管區(qū)外全部結(jié)合良好。校平進(jìn)行UT檢驗(yàn)后對試板取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)。

復(fù)合板熱處理后鈦/鋼界面的剪切強(qiáng)度為205 MPa，鋯/鈦界面為223 MPa，鉭/鋯界面為230 MPa，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求(137.9 MPa)。從金相照片(如圖5所示)分析，結(jié)合界面呈現(xiàn)規(guī)律的波狀界面，且無明顯的熔化現(xiàn)象，結(jié)合狀態(tài)優(yōu)良。

圖5 小試板鉭/鋯金相照片

通過小試板爆炸復(fù)合試驗(yàn)，并對產(chǎn)生的復(fù)合板進(jìn)行了UT檢驗(yàn)、力學(xué)性能及金相檢驗(yàn)，結(jié)果表明小試板工藝檢驗(yàn)達(dá)到了良好的結(jié)果?？梢赃M(jìn)行大面積鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板的爆炸復(fù)合。

5 大板試制實(shí)施

1) 投料規(guī)格

取大試板的編號為1-2#。

規(guī)格：1.5/3/2/24×2 100×4 600 mm

材質(zhì)：Ta1/ Zr-3(R60702)/TA1/Q345R

2) 鋯/鈦/鋼雙層復(fù)合前處理

對基復(fù)板的待復(fù)合面用砂輪及葉輪進(jìn)行表面拋光處理。處理后的光潔度控制在2.5 μm以內(nèi)。

3) 鋯/鈦/鋼雙層一次爆炸復(fù)合

炸藥的選取、布藥高度及支撐高度參數(shù)同小試板參數(shù)。與小試板唯一不同的是采用了幾何中心起爆。

4) 鋯/鈦/鋼復(fù)合板消應(yīng)力退火及校平處理

由于小試板熱處理后取樣所做的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果較好，因此大板的熱處理仍然采用小板的熱處理方式。具體熱處理制度為：箱式電阻爐加熱，隨爐升溫，在500±10 ℃保溫3 h，爐冷至≤300 ℃出爐空冷。大板在消應(yīng)力退火處理后在7輥矯直機(jī)上進(jìn)行校平，校平后復(fù)合板的平直度≤3 mm/m。

校平后再次對復(fù)板進(jìn)行UT檢驗(yàn)。UT檢驗(yàn)的結(jié)果為：除雷管區(qū)外，全部結(jié)合良好。

5) 鉭及鋯/鈦/鋼復(fù)合板的表面處理

對基復(fù)板的待復(fù)合面用砂輪及葉輪進(jìn)行表面拋光處理。處理后的光潔度控制在2.5 μm以內(nèi)。

6) 鉭及鋯/鈦/鋼復(fù)合板的爆炸復(fù)合

炸藥的選取、布藥高度及支撐高度參數(shù)同小試板參數(shù)。與小試板唯一不同的是采用了幾何中心起爆。復(fù)合過程中的布藥位置如圖6所示。

圖6 鉭與鋯/鈦/鋼復(fù)合板復(fù)合過程中炸藥布置

復(fù)合后外觀如圖7所示。

圖7 鉭與鋯/鈦/鋼復(fù)合板復(fù)合后照片

7) 后續(xù)處理

鉭鋯鈦鋼復(fù)合板經(jīng)過熱處理、校平、切割、性能檢驗(yàn)、表面處理、包裝工序交付用戶使用。

6 性能檢驗(yàn)

1) 復(fù)合板力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合板在成品切割時(shí)取樣，取樣位置在復(fù)合板的短邊方向(即寬度放向)，取樣后做力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 1-2#鉭/鋯/鈦/鋼復(fù)合板力學(xué)性能(試驗(yàn)溫度/18 ℃)

由表8可以看出，復(fù)合板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到所要求的力學(xué)性能指標(biāo)，剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)超過137.9 MPa，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

圖8 金相照片

2) 復(fù)合板結(jié)合界面的金相分析

從金相分析，各層結(jié)合界面均呈現(xiàn)規(guī)律的波狀界面，沒有明顯的熔化，結(jié)合狀態(tài)優(yōu)良。

7 結(jié)論

本試驗(yàn)經(jīng)過前期的設(shè)計(jì)、小板試制以及性能檢驗(yàn)后，成功的實(shí)現(xiàn)了大面積鉭/鋯/鈦/鋼復(fù)合板的生產(chǎn)，且經(jīng)過力學(xué)性能及結(jié)合界面的檢驗(yàn)，完全符合試驗(yàn)的預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research and Development of Ta-Zr-Ti-Steel Explosive Clad Plate with Large Area

FAN Keshe, LI Pingcang, WU Jiangtao， WANG Hunian

( Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China)

In this paper, technological parameters of Ta-Zr-Ti-steel clad plate were researched and designed in the explosive cladding production process. Based on the experiment of the test sample, Ta-Zr-Ti-steel clad plate with large area had been researched and developed, and we also evaluated the quality of clad plate. The result shows that it meets the requirements to property of clad plates.

explosive bonding; Ta-Zr-Ti-steel clad plate; mechanical property

10.11809/scbgxb2017.07.031

2017-02-23；

2017-03-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2015AA03A501)

樊科社(1974—)，男，陜西渭南人，碩士，高級工程師，主要從事層狀金屬復(fù)合材料研究。

format:FAN Keshe, LI Pingcang, WU Jiangtao，et al.Research and Development of Ta-Zr-Ti-Steel Explosive Clad Plate with Large Area[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):148-151.

TJ04

A

2096-2304(2017)07-0148-04

本文引用格式：樊科社，李平倉，吳江濤，等.爆炸焊接法制備大面積鉭/鋯/鈦/鋼四層復(fù)合板[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):148-151.