軋制和退火對爆炸焊接Ag/Ti復合板組織和力學性能的影響

范文杰，朱紹珍，周龍海，王 航

軋制和退火對爆炸焊接Ag/Ti復合板組織和力學性能的影響

范文杰，朱紹珍*，周龍海，王 航

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，西安 710201)

采用爆炸-軋制復合法制備了Ag/Ti復合板材，研究了軋制和退火對復合板材力學性能和結合界面的顯微組織的影響。結果表明，爆炸焊接Ag/Ti復合材界面出現典型的周期性波狀組織，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm。爆炸焊接復合板經軋制后，波狀復合界面由于發生較大的塑性變形轉變為平直界面，且界面上形成不連續的AgTi擴散層。經后續的退火處理后，界面上形成厚度約為20 μm的連續均勻的擴散層。軋制態的Ag/Ti復合板經退火處理后，板材的強度明顯降低，但是其塑性卻有明顯的增加，其屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為358 MPa、464 MPa和50.5%。斷口分析表明，軋制態和退火態復合板材斷口中均表現出明顯的韌性斷裂特征，但退火態復合板斷口中韌窩尺寸更大更深，表明其具有更好的塑性。

Ag/Ti復合板；爆炸焊接；軋制；退火

隨著科技的進步和人們生活水平的不斷提高，人們對涉及身體健康的衛生防菌意識逐漸提高，市場對于抗菌材料的需求不斷增長，特別是日常飲食用抗菌材料得到廣泛關注。銀及銀合金具有抗菌廣譜、殺菌效率高和不易產生抗藥性等優點，是一種高效且持久的無機抗菌劑[1]。銀質器具造型優美、工藝精良，不僅可以作為高雅的工藝品，也可以作為實用的餐具，具有悠久的使用歷史。但是，銀質器具成本較高，難以大規模推廣使用。

以廉價金屬(如鈦、不銹鋼等)為基體，通過適當的工藝在其表面生成銀復合層，從而制備出復合材料，該材料不僅可保持銀的抗菌性能，而且還具有基體材料的強度和剛度。目前，銀復合層的制備多采用電鍍、磁控濺射和等離子噴涂及等方法。Arash等[2]采用電鍍法在不銹鋼表面制備出具有良好抗菌性能的純銀鍍層。劉永紅等[3]先用磁控濺射法在不銹鋼表面生成鍍銀薄膜，再用強流脈沖電子束輻照，在基體表面形成銀抗菌涂層，該涂層對變形鏈球菌具有較強的抗菌效果。胡宇等[4]采用大氣等離子熱噴涂方法在不銹鋼基體上制備了致密的銀基涂層，該涂層與基體結合強度達50 MPa以上?，F有方法制備的銀復合層較薄，且與基體結合性差，使用中易被磨損和消耗，不僅影響器具美觀性，而且還會降低其表面的抗菌功效。因此，針對銀質餐具的使用環境，增強銀復合層與基體的結合力，并獲得良好的抗菌性和長效性是需解決的關鍵問題。

爆炸焊接是利用炸藥爆轟能量驅動金屬板間發生高速碰撞而實現金屬板之間冶金結合的焊接方法。Yang等[5]采用爆炸焊接方法在20 mm厚的Q235鋼板上制備出0.2 mm厚高質量的銀復合層。爆炸焊接制備的復合板較厚，再將其進行軋制得到所需厚度板材的方法稱為爆炸-軋制法，該方法結合了爆炸復合和軋制復合的優點，適于基復層較薄的大面積復合板的生產[6]。趙峰等[7]采用爆炸-軋制法制備了4 mm厚的鈦/鋼復合板材，并研究了其界面結合性能。Chen等[8]研究了多道次軋制和退火對爆炸焊接AZ31/6061板材微觀組織和力學性能的影響。

本文首先采用爆炸焊接方法制備了Ag/Ti復合板材，對復合界面的微觀組織進行分析，并研究后續的軋制和退火對板材微觀組織和力學性能的影響，為實際生產應用提供理論和技術依據。

1 實驗

實驗加工流程如圖1所示，爆炸焊接實驗基板選用厚度為9mm的退火態純鈦板，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h，復板選用厚度為1 mm的退火態純銀板，退火溫度為400 ℃，退火時間為1 h。爆炸復合之前，采用1000目砂紙對板材待焊接面進行打磨，并用無水乙醇將表面清洗干凈。復板與基板呈平行放置狀態，復板上鋪設30mm厚氨油炸藥，在復板一端的炸藥上方放置引爆裝置，之后進行爆炸焊接。之后采用軋機將爆炸焊接板坯沿爆轟傳播方向進行冷軋，冷軋過程需進行中間退火，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h，最終得到厚度為0.5 mm的Ag/Ti復合板材，其中Ag層厚度為0.05 mm，Ti層厚度為0.45 mm。最后將復合板材進行成品退火處理，退火溫度為650 ℃，退火時間為1 h。此外，為了進行對比分析，采用相同軋制和退火工藝將純鈦板從10 mm加工到0.5 mm。

圖1 實驗加工流程圖

沿爆炸或軋制方向在復合板上取金相試樣，采用腐蝕劑對研磨和拋光后的樣品進行侵蝕，先用腐蝕劑對Ti層進行侵蝕，腐蝕劑配比為1 mL氫氟酸、4 mL硝酸和5 mL水，之后再對Ag層進行侵蝕，腐蝕劑配比為10 mL氨水和10 mL雙氧水，采用LEICA DMi8顯微分析系統觀察其金相組織。采用JSM6460和SU5000掃描電鏡及其配置的能譜分析儀對微觀組織及微區成分進行觀察和分析。采用AG-100kNG材料試驗機進行拉伸性能測試。

2 結果與討論

圖2為爆炸焊接Ag/Ti復合板顯微組織掃描電鏡圖片。從圖2中可以看出，Ag/Ti結合界面出現周期性的波紋，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm，具有典型的爆炸焊接界面特征，這種復合界面能夠增加復合層之間的結合面積，有效提高界面結合強度。在爆炸焊接過程中，基板和復板發生高速的斜碰撞，駐點附近形成了高溫高壓區，溫度和壓力急劇的上升使得界面金屬出現了熔化并形成了金屬射流，反復擾動的射流將侵徹基板與復板，最終形成波狀界面[9]。

圖2 爆炸焊接Ag/Ti復合板的微觀組織

圖3為爆炸焊接Ag/Ti復合板的界面微觀組織及面掃描分析結果。從圖3中可以發現，其界面具有漩渦組織特征，結合圖3(b)和圖3(c)的面掃描分析結果，少量Ti包裹在Ag基體的漩渦中，這是由于在爆炸瞬間，碰撞區域的表層射流被基板和復板捕獲，形成了漩渦區。此外，從圖3中可以發現，Ag和Ti復合層界面清晰，根據面掃描結果，Ag和Ti元素分布均具有明顯的邊界，表明復合界面處未觀測到明顯的元素擴散，這可能是由于爆炸焊接過程雖然會產生瞬時高溫高壓，但是該過程較短(約10-6s)[10]，原子擴散時間短，擴散層厚度較小。

不同狀態Ag/Ti復合板的微觀組織金相照片如圖4所示，圖中上層為Ag層，下層為Ti層，二者之間為擴散層，由于金相侵蝕的原因，擴散層呈現黑色條紋狀。從圖4中可以發現，經退火處理后，組織均發生了明顯的再結晶，Ag層形成晶界相互平行的大晶粒，Ti層形成晶粒尺寸約為50 μm的等軸晶組織。此外，爆炸焊接板材經軋制后，復合界面形態發生了明顯變化，波狀復合界面發生塑性變形轉變為平直型界面。此外，板材經軋制變形后，其界面形成不連續的擴散層，這是由于板材軋制過程中進行了退火處理，在退火過程中，由于元素間的擴散在界面上形成擴散層，在之后的軋制過程中，擴散層被壓扁并拉長，形成不連續的擴散層。經后續的退火處理后，形成厚度約為20 μm的連續均勻的擴散層。

(a). 微觀組織(Microstructure); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

(a). 軋制態板材(As-rolled plate); (b). 退火態板材(As-annealed plate)

圖5和圖6為不同狀態Ag/Ti復合板材界面的面掃描分析結果，表1為圖5和圖6中標記點的EDS分析結果。從圖表中可以看出，軋制態和退火態中擴散層中的金屬間化合物均由Ag和Ti兩種元素組成，并且二者的原子比接近1:1。結合Ag-Ti二元合金相圖，Ag和Ti之間可能形成AgTi2和AgTi兩種金屬間化合物，根據EDS分析結果可以確定擴散層由AgTi金屬間化合物組成。此外，從圖中還可以看出，軋制態復合板材的界面擴散層為不連續狀態，如圖中箭頭所示區域明顯可見Ag層和Ti層直接結合，而經退火處理后，擴散層變得更加連續和均勻，這有不僅利于提高Ag層和Ti層的結合強度，而且還使復合板材的微觀組織更加均勻。

表2為不同狀態Ag/Ti復合板材和純鈦板的拉伸力學性能。從表2中可以看出，由于板材在加工過程中產生加工硬化，導致軋制態的復合板具有較高的強度，但是其塑性較差，而經退火處理后，板材組織發生了完全的再結晶，降低了位錯密度，其強度明顯降低，但是塑性卻有明顯的增加，其屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為358 MPa、464 MPa和50.5%。此外，通過與純鈦板拉伸力學性能進行對比可以發現，兩種材料在相同狀態下的力學性能沒有明顯差異。這是由于純Ag層較薄，且強度較低(軋制態抗拉強度約為300 MPa)，復合板材強度最終由Ti層決定。

(a). 界面微觀組織(Microstructure of the bonding interface); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

(a). 界面微觀組織(Microstructure of the bonding interface); (b). Ti元素分布(Ti distribution); (c). Ag元素分布(Ag distribution)

表1 圖5和圖6中標定位置的EDS分析結果

Tab.1 EDS results of the calibrated regions in Fig.5 and Fig.6

表2 不同狀態Ag/Ti復合板材和純鈦板材的拉伸力學性能

Tab.2 Tensile properties of the Ag/Ti composite plate and pure Ti plate under different conditions

圖7為不同狀態Ag/Ti復合板拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖7可見，兩種狀態的試樣拉伸斷口均呈45°切斷斷口，兩種狀態下板材Ti層的斷口均存在大面積韌窩，表現出明顯的韌性斷裂特征。但是，軋制態試樣斷口中為等軸韌窩，韌窩尺寸較小，大部分韌窩寬度為1～5 μm；而退火態試樣斷口具有拉長形韌窩特征，韌窩尺寸較大且深，大部分韌窩寬度為5～20 μm之間。軋制態復合板變形硬化指數較大，拉伸過程中難以發生頸縮，因此生成更多的顯微空洞或通過剪切斷裂而連接，導致韌窩變小、變淺；而退火態試樣斷口中為拉長韌窩，且韌窩尺寸較大，韌窩的尺寸反映了材料斷裂前塑性變形的大小，韌窩尺寸越大，材料的塑性就越好[12]。此外，由于Ag-Ti層塑性較差，在拉伸過程中均發生了明顯的破碎。由于退火態復合板Ag-Ti層更厚，且在拉伸過程中經歷更大的塑性變形，因此破碎現象更加明顯。結合表2的測試結果，Ag-Ti層的產生對于材料的拉伸力學性能影響不大，這可能是由于其厚度遠小于于純鈦基體，不能起到顯著的強化效果。

(a). 軋制態板材(As-rolled plate); (b). 退火態板材(As-annealed plate)

根據以上分析，Ag/Ti復合板材經退火處理后具有均勻的三層結構，其中基體層為純鈦層，保證板材具有較高的強度，復合層為純銀層，使板材具有抗菌性能，中間層為均勻的Ag-Ti層，可以促進界面形成冶金結合，增加了基體層和復合層的結合強度。

3 結論

1) 爆炸復合Ag/Ti板結合界面出現周期性的波紋，波峰高約80 μm，相鄰波峰間距約為300 μm，具有典型的爆炸焊接界面特征，其界面具有漩渦組織，少量Ti包裹在Ag基體的漩渦中。

2) 爆炸焊接Ag/Ti復合板經軋制后，波狀復合界面發生塑性變形轉變為平直型界面。此外，經軋制變形后，其界面形成不連續的AgTi擴散層，經后續的退火處理后，形成厚度約為20 μm的連續均勻的擴散層。

3) 軋制態的Ag/Ti復合板經退火處理后，板材的強度明顯降低，但是其塑性卻有明顯的增加，伸長率高達50.5%。兩種狀態下板材Ti層的斷口均存在大面積韌窩，表現出明顯的韌性斷裂特征，但軋制態試樣斷口韌窩尺寸較小，而退火態試樣斷口中韌窩尺寸較大且深。

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Effects of rolling and annealing on microstructures and mechanical properties of explosion welded Ag/Ti composite plate

FAN Wenjie, ZHU Shaozhen*, ZHOU Longhai, WANG Hang

(Xi'an Noble Rare Metal Materials Co. Ltd., Xi'an 710201, China)

Ag/Ti composite plate was fabricated by explosion-rolling technology in this work. The effects of rolling and annealing on the properties of the composite plate and the microstructure of the bonding interface were studied. The results show that the bonding interface of explosion welded Ag/Ti composite plate has typical wavy structure with an average wavelength of 300 μm and a height of 80 μm. The wavy interface changed into straight interface basically after rolling, due to the large plastic deformation. In addition, a discontinuous AgTi interfacial diffusion layer was developed. After a subsequent annealing treatment, a continuous and uniform diffusion layer with a thickness of about 20 μm was formed at the interface. The strength of the rolled Ag/Ti composite plate was significantly reduced after the annealing treatment, but its plasticity increased significantly, with the yield strength, ultimate tensile strength and elongation being 358 MPa, 464 MPa and 50.5%, respectively. Fracture analysis shows that both the rolled and annealed composite plates exhibited significant ductile failure characteristics, but the latter had a larger and deeper dimples in the fracture, indicating better plasticity.

Ag/Ti composite plate; explosive welding; rolling; annealing

TG337.6

A

1004-0676(2023)04-0069-05

2023-02-10

陜西省重點研發計劃工業領域項目(2022GY-393)

范文杰，男，工程師；研究方向：稀貴金屬材料加工；E-mail: china1571@163.com

朱紹珍，男，博士，工程師；研究方向：稀貴金屬材料加工；E-mail: szzhu12s@alum.imr.ac.cn