简介概要

采用爆炸-轧制法制备钛/铝复合板

来源期刊：稀有金属2004年第4期

论文作者：马志新李彦利胡捷李德富

关键词：钛/铝复合板; 爆炸-轧制; 牵引变形; 对称轧制;

摘要：主要对制备1.5 m钛/铝复合薄板的爆炸-轧制工艺进行了实验研究.通过实验,确定了TA1和2A12这两种合金的爆炸焊接工艺参数.为了解决单张复合板在轧制过程中缠绕轧辊的问题,提出了两张爆炸焊接钛/铝复合板的对称轧制工艺,并且得到了成功的应用.对于轧制过程中复合板钛层表面出现的间歇性开裂现象,也进行了详细的分析.两种基体金属流动变形的不同步性以及铝对钛产生的不均匀牵引变形力是导致复合板钛层表面开裂的主要原因.

稀有金属 2004,(04),797-799 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.04.044

采用爆炸-轧制法制备钛/铝复合板

李德富胡捷李彦利

北京有色金属研究总院加工工程中心,北京有色金属研究总院加工工程中心,北京有色金属研究总院加工工程中心,北京有色金属研究总院加工工程中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

主要对制备 1.5mm钛 /铝复合薄板的爆炸轧制工艺进行了实验研究。通过实验 , 确定了TA1和 2A12这两种合金的爆炸焊接工艺参数。为了解决单张复合板在轧制过程中缠绕轧辊的问题 , 提出了两张爆炸焊接钛 /铝复合板的对称轧制工艺 , 并且得到了成功的应用。对于轧制过程中复合板钛层表面出现的间歇性开裂现象 , 也进行了详细的分析。两种基体金属流动变形的不同步性以及铝对钛产生的不均匀牵引变形力是导致复合板钛层表面开裂的主要原因

关键词：

钛/铝复合板;爆炸轧制;牵引变形;对称轧制;

中图分类号： TB331

收稿日期：2003-12-29

Process of Explosive Welding-Rolling for Preparation of Titanium/Aluminum Composite Plate

Abstract：

Experimental study on process of explosive welding rolling for preparation of 1.5 mm titanium/aluminum composite plate was the main researching object. The explosive welding technological parameters of TA1 and 2A12 were concluded by experiments. In order to resolve the problem that single composite plate twisted on the roller in rolling procedure, the process of symmetry rolling in which two sheets of explosive welded titanium/aluminum composite plate were riveted symmetrically, was put forward and confirmed successfully. As to the phenomena that intermittent cracks appeared on the surface of Titanium in the rolling procedure, detailed analysis was made too. Nonsynchronous flow of two basal metals in rolling and asymmetry towing force imposed on the titanium by aluminum were the key reasons for cracks appeared on the surface of titanium/aluminum composite plate.

Keyword：

titanium/aluminum composite plate; explosive welding-rolling; towing deformation; symmetry rolling;

Received： 2003-12-29

随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的出现, 人们对材料性能的要求日益增高, 单一组元材料已经很难满足要求。因此, 研究和制备新型复合材料成为材料科学与工程领域中一个重要的发展方向 ^[1] 。双金属复合板是复合材料的一种。经过合理设计组合后的复合板结合了基体金属组元各自的优点, 可以获得单一金属所不具有的物理和化学性能。钛/铝复合板综合利用了钛的耐高温、耐腐蚀, 铝的比重小、导热性能好的优点, 成为航空航天材料领域中近些年来发展比较迅速的一种新型材料。

层状金属复合材料的制备工艺有许多种, 每一种各有其特点 ^[2,3] 。本文主要以爆炸-轧制复合工艺为主要研究内容, 通过系统的实验研究和理论分析, 得出了制备表面质量良好、厚度尺寸精确的1.5 mm钛/铝复合板的系列工艺参数。其中, 1.5 mm钛/铝复合板中钛层厚度为0.3 mm, 板面宽400 mm、长500 mm; 钛层选用TA1, 铝层为2A12, 均为退火态。

1 爆炸-轧制工艺

1.1 爆炸焊接工艺

金属爆炸焊接是借助炸药爆炸产生的高强化学能驱动复板高速碰撞基板, 碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜, 露出了新鲜的表面, 而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区, 从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术 ^[4] 。

本实验采取如图1所示覆板与基板相平行、电雷管在边部起爆的爆炸焊接工艺。其中, TA1为覆板, 初始厚度3.0 mm; 2A12为基板, 初始厚度为0.75 mm。在爆炸焊接过程中, 为了防止T A1上表面和2A12下表面被破坏, 需要采取特殊的防护措施。

爆炸焊接参数是决定焊接工艺成败或优劣的关键。不同组分的复合板材, 其爆炸焊接参数是不相同的。每一种复合材料, 严格来讲都存在着相应的最佳爆炸焊接参数。爆炸焊接参数包括静态参数和动态参数 ^[5,6] 。静态参数是指在爆炸焊接工艺安装以后和炸药爆炸以前该系统在静止状态下的一些参数, 如: 炸药的品种、状态和数量, 金属材料的物理、力学和化学性能及其尺寸, 覆板与基板的安装形式以及当时的气候和气象条件等。一般来说, 静态参数仅指单位面积上炸药的数量 (W_g) 或装药的高度以及复板与基板之间的距离h₀; 动态参数就是在炸药爆炸以后, 在炸药爆炸过程中以及金属系统内处于运动和变化状态下的一些参数。这些参数的大小决定爆炸焊接的结果。如: 碰撞角γ、偏转角β、炸药的爆速v_d、覆板的下落速度v_p、碰撞点c的移动速度即焊接速度v_cp和碰撞点c之前的“再入射流。速度v_f等。经过对几次试验结果的分析比较, 确定了表1所列的一组爆炸焊接工艺参数。

图1 爆炸焊接示意图 (1) 电雷管; (2) 地基; (3) 炸药; (4) 覆板; (5) 再入射流; (6) 基板; γ-碰撞角; β-偏转角; c-碰撞点; h0-间隙; vd-炸药爆速; vp-覆板下落速度; vcp-焊接速度; vf-“再入射流”速度

Fig.1 Schematic digaram of explosive welding

1.2 轧制工艺实验及结果分析

1.2.1 轧制工艺

爆炸焊接后板材的表面质量和尺寸精度一般都不能满足实际使用要求, 因此爆炸后的轧制工艺必不可少。一般来说, 轧制工艺包括热轧和冷轧两个步骤。热轧主要是为了获得要求的板材厚度, 总加工量较大; 冷轧主要是为了获得最终精确的板材厚度尺寸和理想的表面, 总加工量较小。

钛和铝的热轧温度和变形抗力相差很大, 只能在满足铝热变形的条件下尽可能地提高轧制温度来提高钛的流动性能。为了探究钛/铝复合板合适的轧制工艺参数, 在轧制过程中采取了2种实验方案。

方案一: 中间换向轧制以及控制道次压下量、轧制温度和润滑方式。具体的试验方案: 热轧温度470～480 ℃; 在钛侧涂抹水基石墨乳液作高温润滑剂; 第一道次要以20%～25%较大的道次压下量, 并且以最快的速度轧至设计的厚度; 以后的道次压下量控制在15%以下, 总加工量控制在60%以内。在总加工量的50%左右换向轧制 (前后轧制方向垂直) 。热轧完成后, 钛/铝复合板在480～490 ℃保温0.5 h的条件下退火, 主要是消除爆炸和轧制过程中产生的残余应力。冷轧过程中, 道次压下量控制在10%以内, 经过1～2个道次的轧制可获得1.5 mm厚的钛/铝复合板。

方案二: 对称轧制。将爆炸焊接好的的复合板退火后校平, 然后两块复合板采取钛层在内铝层在外的对称铆接组坯方式。复合板采取纵向两边间隔10 cm铆接、横向两边自由的方式。热轧温度430～450 ℃, 道次压下量控制在15%左右。经过2～3个轧制道次, 坯料总厚度达到4.0 mm左右。退火后接着冷轧, 经过1～2个道次的轧制可获得总厚度为3.0 mm的两块钛/铝复合板。

1.2.2 实验结果及分析

在方案一的试验中, 曾出现过如图2 所示的在钛侧出现间歇性裂缝的情形。经分析, 开裂主要是由于初道次加工率太大 (超过30%) 造成的。在轧制过程中两种金属流动性的差异以及爆炸结合界面的粘滞作用, 使得流动较快的铝层对钛层和结合界面产生了附加的牵引作用力。有文献把这种产生牵引作用力的变形过程称作牵引变形 ^[7,8] 。如果变形量适当, 在均匀牵引力的作用下两层金属会同步变形; 当变形量大到一定程度时两种金属的流动变形速度差就会增大, 界面牵引力就会随着变形速度差异的增大而发生非均匀变化, 产生不均匀牵引变形力。钛层在不均匀牵引变形力的作用下就会发生间歇性破坏, 表现为钛表面出现间歇性裂缝流出白色的铝。所以, 采用方案一时必须严格控制初道次加工率在25%以内, 后续道次加工率在15%以内。此外, 由于钛和铝流动速度的差异, 铝层就会向钛层卷曲。轧制过程中会出现复合板缠绕在轧辊表面的问题, 中断了后面的工序。

表1 爆炸焊接工艺参数

Table 1 Technological parameters of explosive welding

覆板		基板		炸药			参数
材料	厚度	材料	厚度	类型	密度	爆速	间隙	药高
铝2A12	0.75 mm	钛TA1	3.0 mm	铵油混合	660 kg·m^-3	2500 m·s^-1	3～4 mm	28 mm

在方案二的实验中, 制备出的钛/铝复合板表面质量良好、板型比较平整, 而且厚度尺寸均匀。经分析, 对称轧制工艺是能够制备出合格复合板的重要条件之一。对称组坯方式不仅可以避免轧制过程中单张复合板缠绕轧辊表面的问题, 而且铆钉对复合板的约束力在一定程度上还能够起到制约钛铝两种金属流动变形不同步的作用。对称轧制过程中, 采取15%左右的小道次加工率是能够制备出合格钛-铝复合板的另一个重要条件。通过控制道次加工率的大小, 使得钛铝两种金属能够尽量以相同的流动速度发生变形, 降低了相互之间的“牵引变形力”。