引言

隨著科技不斷發(fā)展,單一金屬材料的性能已經(jīng)越來越難以滿足日益提升的生活和生產(chǎn)需求。將兩種及以上不同性質(zhì)的金屬板坯結(jié)合制備金屬復(fù)合板,可兼具金屬母材的綜合性能[1-3]。TA1工業(yè)純鈦質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、韌塑性較好且成本較低[4],將其與高強(qiáng)度的TC4鈦合金[5]復(fù)合,成品兼具兩者優(yōu)勢(shì),在航空航天、航海、化工及氫能領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。

金屬復(fù)合板的常見制備方法主要有爆炸復(fù)合、擴(kuò)散焊、噴射沉積和軋制復(fù)合。相比其他方法,通過軋制生產(chǎn)復(fù)合板具有生產(chǎn)連續(xù)化、低成本、環(huán)保、界面缺陷少且性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)[6-8],但傳統(tǒng)的平輥軋制復(fù)合法存在異種金屬基板結(jié)合難、結(jié)合強(qiáng)度低和板形質(zhì)量差等一系列問題[9]。為此,波紋軋+平軋工藝應(yīng)運(yùn)而生,首道次波紋軋可傳遞更大的軋制力至復(fù)合板界面處,使界面材料的變形程度增大并形成凹凸起伏的立體結(jié)合界面,異材界面結(jié)合面積增大,波紋軋界面獨(dú)特的受力狀態(tài)促使界面氧化層破裂,裸露的新鮮金屬增多,利于異種金屬結(jié)合。上述優(yōu)勢(shì)均顯著提升了復(fù)合板界面的結(jié)合強(qiáng)度并降低了軋制力,且板型的平直度更高。波紋軋過程中,界面部分區(qū)域受到更大的軋制力,導(dǎo)致殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象更顯著,復(fù)合板韌塑性較差。此外,波紋軋界面可分為波峰、波腰和波谷,不同位置受力狀態(tài)的差異,造成了殘余應(yīng)力和加工硬化狀態(tài)不同,界面結(jié)合強(qiáng)度分布存在差異,亟待通過熱處理的方式降低界面殘余應(yīng)力、加工硬化及應(yīng)力狀態(tài)差異程度,提升復(fù)合板韌塑性,提高界面結(jié)合強(qiáng)度并改善微觀組織。

王壯[10]采用異溫軋制制備了TC4/7075Al復(fù)合板,并對(duì)其進(jìn)行軋后退火研究,研究結(jié)果表明,當(dāng)退火溫度為450℃、保溫時(shí)間為3h時(shí),復(fù)合板界面結(jié)合效果最好,剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值149.49MPa,且拉伸強(qiáng)度達(dá)到830MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值。郭雷明等[11]對(duì)采用鑄軋法制備得到的鈦鋁復(fù)合板進(jìn)行不同工藝的退火處理,分析認(rèn)為,隨著溫度的升高以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng),復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度出現(xiàn)略微下降,且退火后界面發(fā)現(xiàn)了金屬間化合物,硬脆金屬間化合物數(shù)量的增加對(duì)復(fù)合板的結(jié)合產(chǎn)生了不利影響。LüSS等[12]在660℃退火1 h提高了鈦鐵復(fù)合板的力學(xué)性能,研究發(fā)現(xiàn),退火后復(fù)合材料塑性提升,各向異性降低,界面表現(xiàn)出良好的粘接性能,盡管界面剝離強(qiáng)度顯著降低,但并未發(fā)生界面分層現(xiàn)象。ZHAOZ等[13]通過熱軋復(fù)合法制備得到鈦/鋼復(fù)合板,將其在550℃條件下退火3h,結(jié)果表明,退火處理不但降低了復(fù)合板的位錯(cuò)密度和局部應(yīng)變,而且促進(jìn)了脆性化合物的生長(zhǎng),這導(dǎo)致復(fù)合板拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度明顯降低,但伸長(zhǎng)率相對(duì)較高。李亞杰等[14]通過“波紋軋+平軋”在300℃下制備得到了Ti/Al復(fù)合板,后續(xù)在300℃條件下退火30min,研究發(fā)現(xiàn),退火后“波+平”軋復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度略微降低,但伸長(zhǎng)率改善明顯,由5.56%提升至9.10%,表明退火后軋制過程中殘余應(yīng)力釋放,導(dǎo)致板材伸長(zhǎng)率提高而強(qiáng)度略微降低。

陳文歡[15]研究了在500℃條件下退火1h對(duì)波紋界面Al/Ti/Al復(fù)合板的影響,結(jié)果表明,退火后復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度明顯下降,35%壓下率下Al/Ti/Al復(fù)合板TD和RD方向的伸長(zhǎng)率達(dá)到55%以上,說明過高的退火溫度對(duì)復(fù)合板的綜合性能產(chǎn)生了不利影響。然而目前對(duì)于鈦/鈦復(fù)合板軋制及熱處理工藝的研究鮮有報(bào)道。

制定合適的退火工藝制度可以有效地改善復(fù)合板的加工硬化現(xiàn)象、促進(jìn)基材回復(fù)、消除軋制過程中的殘余應(yīng)力并促進(jìn)原子間相互擴(kuò)散,對(duì)提高復(fù)合板的塑性有著顯著的影響[16]。為此,本文針對(duì)首道次波紋軋,二道次平軋制備的TA1/TC4復(fù)合板,著重研究退火溫度對(duì)復(fù)合板性能及組織的影響,分析退火溫度對(duì)復(fù)合板結(jié)合界面形貌、拉伸和剪切性能的影響規(guī)律,研究不同退火溫度對(duì)復(fù)合板變形失效行為的作用機(jī)制,明確適合“波+平”軋TA1/TC4復(fù)合板的退火溫度。

1、退火溫度對(duì)復(fù)合板的界面微觀形貌影響

研究針對(duì)900℃,波紋軋44%壓下量,平軋20%壓下量的TA1/TC4復(fù)合板,該條件下復(fù)合板基材變形劇烈,加工硬化程度和殘余應(yīng)力均較大,界面結(jié)合性能優(yōu)良,對(duì)熱處理?xiàng)l件敏感。本文設(shè)定退火溫度分別為350、400、450、500、550和600℃,退火保溫時(shí)間為1h,探究退火溫度對(duì)界面結(jié)合情況的影響。首先使用電子掃描顯微鏡對(duì)TA1/TC4復(fù)合板在不同退火溫度下的結(jié)合界面進(jìn)行表征。選取原始復(fù)合板坯和退火溫度400、500和600℃,退火時(shí)間為1h條件下TA1/TC4復(fù)合板結(jié)合界面的SEM圖像進(jìn)行對(duì)比分析,如圖1所示,各退火條件下TA1/TC4復(fù)合板界面不同位置包括波峰、波腰及波谷處的界面均結(jié)合良好,沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)合缺陷,較原始未處理復(fù)合板坯沒有明顯變化,說明對(duì)TA1/TC4復(fù)合板進(jìn)行去應(yīng)力退火后并未使得界面出現(xiàn)孔洞等缺陷。

進(jìn)一步對(duì)結(jié)合界面進(jìn)行EDS線掃描,如圖2所示。由圖可知,較退火處理前,退火后復(fù)合板界面擴(kuò)散層均明顯增厚,溫度為400℃時(shí),波峰、波腰和波谷位置的擴(kuò)散層厚度由2.4、2.3和2.6μm分別增大至2.8、3.0和3.4μm,且隨著退火溫度的提高,擴(kuò)散層厚度呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),當(dāng)退火溫度為600℃時(shí),復(fù)合板波峰、波腰和波谷位置的擴(kuò)散層厚度已提高至3.1、3.2和4.0μm,說明退火溫度對(duì)復(fù)合板的擴(kuò)散層厚度影響較為顯著,不同溫度對(duì)應(yīng)線掃曲線均呈“X”形,擴(kuò)散層沒有明顯的平層,表明界面并未生成大量的金屬間化合物。此外,隨著溫度的升高,復(fù)合板界面處元素?cái)U(kuò)散能力逐漸增強(qiáng),復(fù)合板波谷位置元素?cái)U(kuò)散隨溫度的變化更明顯,該位置擴(kuò)散層厚度的增加也更加顯著。結(jié)合面線掃結(jié)果可在一定程度上反映出界面的物相特征,對(duì)確定合理的退火溫度具有較高的參考意義。

2、退火溫度對(duì)復(fù)合板力學(xué)性能及斷口形貌的影響

2.1　力學(xué)性能

圖3為不同退火溫度下復(fù)合板單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖,圖中示出,當(dāng)退火溫度為350℃時(shí),復(fù)合板的屈服強(qiáng)度為865.8MPa,伸長(zhǎng)率為7.8%;當(dāng)退火溫度為400℃時(shí),屈服強(qiáng)度為859.3MPa,伸長(zhǎng)率為7.7%;當(dāng)退火溫度為450℃時(shí),屈服強(qiáng)度降低至823.3MPa,伸長(zhǎng)率提升至8.2%。分析認(rèn)為,較低溫度退火時(shí),復(fù)合板的屈服強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率變化較小,且兩側(cè)基體塑性協(xié)調(diào)性較好,未發(fā)生明顯的分層斷裂現(xiàn)象(圖4)。當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高至500℃,復(fù)合板的屈服強(qiáng)度降低至802.3MPa,伸長(zhǎng)率明顯提升至10.5%左右,復(fù)合板界面出現(xiàn)輕微的分層斷裂現(xiàn)象(圖4)。當(dāng)退火溫度提升至550℃時(shí),復(fù)合板的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步下降至778.2MPa,伸長(zhǎng)率提升至12.3%。當(dāng)退火溫度提升至600℃時(shí),屈服強(qiáng)度顯著降低至703.1MPa,結(jié)合圖3a中600℃對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知,TC4側(cè)基體伸長(zhǎng)率為11.9%左右,TA1側(cè)基體伸長(zhǎng)率為13.9%左右,兩側(cè)基體塑性協(xié)調(diào)性變差,從圖4中可以看到明顯的分層現(xiàn)象。

結(jié)果表明,隨著退火溫度的升高,TA1/TC4復(fù)合板屈服強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),而伸長(zhǎng)率則呈上升趨勢(shì),塑性變形能力得到提升。在450℃較低溫度下,TA1/TC4復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化不大,出現(xiàn)這種情況的主要原因是復(fù)合板在軋制過程中的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重,低溫退火不能有效地去除復(fù)合板內(nèi)部的殘余應(yīng)力[17],回復(fù)程度較低。直至溫度提升至500℃時(shí),復(fù)合板的伸長(zhǎng)率得到明顯提升,繼續(xù)提升溫度,可有效改善復(fù)合板的加工硬化現(xiàn)象,回復(fù)程度較高,導(dǎo)致復(fù)合板軟化。但超過500℃后,過高的退火溫度導(dǎo)致兩側(cè)金屬基體的回復(fù)程度相差較大,不利于復(fù)合板變形協(xié)調(diào)。

2.2　拉伸斷口形貌

圖4為復(fù)合板在不同退火溫度下TA1/TC4復(fù)合板的拉伸斷口形貌。由圖可知,原始板坯和退火溫度為400℃時(shí),結(jié)合界面均無宏觀裂口,說明復(fù)合板仍保持著良好的結(jié)合現(xiàn)象。但當(dāng)溫度升高至500℃時(shí),界面出現(xiàn)裂口,繼續(xù)升溫至600℃,裂口加深,兩側(cè)金屬變形協(xié)調(diào)性變差,與圖3a所示拉伸曲線結(jié)果吻合。且可以明顯觀察到,隨著退火溫度的升高,TA1純鈦側(cè)及TC4鈦合金側(cè)的頸縮現(xiàn)象越來越明顯,且兩側(cè)拉伸斷口表面隨著溫度的提升均出現(xiàn)了纖維狀特征,說明基體塑性能力得到明顯提升。當(dāng)退火溫度為500℃時(shí),此時(shí)TC4側(cè)韌窩的尺寸和深度相對(duì)變大,數(shù)量變少,且TA1側(cè)開始出現(xiàn)一些細(xì)小韌窩特征,解理特征仍存在但相對(duì)變少,說明在該退火溫度條件下,TA1側(cè)加工硬化現(xiàn)象得到改善,該側(cè)發(fā)生靜態(tài)回復(fù),復(fù)合板塑性得到改善。

當(dāng)溫度提升至600℃時(shí),TC4和TA1側(cè)韌窩尺寸和深度均明顯變大,塑性改善明顯。隨著退火溫度提高至500~600℃,可以發(fā)現(xiàn)TA1側(cè)有明顯的頸縮現(xiàn)象且兩側(cè)韌窩形狀大小有較大的差別,且復(fù)合板整體塑性能力受TA1側(cè)基體塑性的變化影響較大。

分析兩側(cè)基體韌窩變化,可以發(fā)現(xiàn),原始軋制態(tài)板坯TC4側(cè)斷口基本被等軸韌窩覆蓋,TA1側(cè)存在脊?fàn)詈徒饫砼_(tái)階,由于原始板坯是在900℃,44%壓下量的條件下制備,TA1側(cè)發(fā)生了劇烈的塑性變形,導(dǎo)致其加工硬化嚴(yán)重,斷口的韌性斷裂特征不明顯。當(dāng)退火溫度為400℃時(shí),TC4側(cè)仍呈現(xiàn)出大量等軸韌窩,TA1側(cè)則呈現(xiàn)明顯的河流花樣、舌狀花樣以及解理臺(tái)階等解理斷裂特征,兩側(cè)斷口特征均與軋制態(tài)相近,與前述分析一致,復(fù)合板的塑性能力沒有明顯的提升。這也是TA1/TC4復(fù)合板的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線在此退火溫度區(qū)間內(nèi)伸長(zhǎng)率沒有明顯提升的原因。

3、退火溫度對(duì)復(fù)合板剪切性能及斷口形貌的影響

3.1　剪切性能

將不同退火溫度的TA1/TC4復(fù)合板進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn),圖5為不同退火工藝下TA1/TC4復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度柱狀圖。由圖可知,隨著退火溫度的增加,TA1/TC4復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度隨之下降。當(dāng)退火溫度為350℃時(shí),復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度為413.28MPa,相比軋制態(tài)復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度457.65MPa下降明顯;當(dāng)退火溫度從400℃增加到600℃時(shí),復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度從391.14MPa逐漸下降至301.27MPa。

結(jié)果表明,退火溫度對(duì)于TA1/TC4復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度影響較大,隨著退火溫度的升高,復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度下降明顯,造成該現(xiàn)象的原因主要是基材抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著退火溫度的升高而降低,但界面擴(kuò)散層厚度則會(huì)增大,均會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板抗剪強(qiáng)度降低。

3.2　剪切斷口形貌

為了進(jìn)一步研究TA1/TC4復(fù)合板的抗剪性能與退火溫度的關(guān)系,將TA1/TC4復(fù)合板剪切試樣斷口進(jìn)行表征和元素掃描分析。TA1和TC4兩種材料元素組分差別較小,但TC4鈦合金中的Al和V元素是TA1純鈦中沒有的,因此,選取Ti、Al和V這3種元素對(duì)剪切斷面兩側(cè)進(jìn)行EDS面掃描,其中Al和V元素的分布特征可以區(qū)分?jǐn)嗫谛纬傻奈恢谩１?為不同退火溫度對(duì)應(yīng)復(fù)合板剪切斷口的元素面掃描結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),兩側(cè)斷口Al和V元素比例仍接近0%,說明剪切試樣斷口斷裂位置仍在TA1基體側(cè),即在不同退火工藝條件下,TA1基體的剪切強(qiáng)度仍決定了TA1/TC4復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度。

如圖6所示,TC4側(cè)剪切斷面主要為平切斷口,僅在局部出現(xiàn)剪切韌窩,TA1側(cè)斷面則整體均為平切斷口,滑移流變形式明顯。當(dāng)退火溫度為400℃時(shí),根據(jù)斷面掃結(jié)果得知,剪切斷裂位置仍在TA1基體處,觀察分析兩側(cè)斷口,發(fā)現(xiàn)兩側(cè)微孔聚集性韌窩數(shù)量明顯增加,滑移平坦區(qū)域范圍變化較小,說明復(fù)合板塑性提升,但界面結(jié)合強(qiáng)度降低,剪切斷裂模式開始由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。如圖6c和6g所示,當(dāng)退火溫度為500℃時(shí),復(fù)合板斷口兩側(cè)分布有大量的剪切韌窩,但還存在著滑移平坦區(qū)域,斷裂模式更接近韌性斷裂;當(dāng)退火溫度進(jìn)一步提高至600℃時(shí),兩側(cè)斷口剪切韌窩變大,整體呈波浪狀,且界面有明顯的撕裂特征,根據(jù)斷口元素線掃描結(jié)果可知,斷口斷裂位置仍處于TA1基體側(cè),這說明TA1/TC4復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度仍表現(xiàn)為TA1基體的剪切性能。結(jié)果表明,隨著退火溫度的升高,TA1/TC4復(fù)合板剪切斷口逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詳嗔?斷口塑性提升明顯,且無論在軋制態(tài)還是退火態(tài)條件下,斷裂位置均在TA1基體上,斷口的TC4側(cè)被TA1基體完全覆蓋,但TC4側(cè)少量元素?cái)U(kuò)散至TA1基體內(nèi),故兩側(cè)斷口元素面掃描結(jié)果顯示Al和V元素含量極低。這說明TA1/TC4復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于TA1基體的剪切強(qiáng)度,與拉伸測(cè)試結(jié)果一致,TA1基體的性能決定了復(fù)合板的抗剪性能。

綜合上述結(jié)論,當(dāng)熱處理溫度為500℃時(shí),復(fù)合板的伸長(zhǎng)率較軋制態(tài)有明顯提升,且保持了較高的屈服強(qiáng)度802.3MPa和剪切強(qiáng)度366.54MPa,該狀態(tài)下拉伸斷口沒有出現(xiàn)明顯的分層斷裂現(xiàn)象,剪切破壞位置位于TA1基體側(cè),均表明該熱處理溫度在保證復(fù)合板強(qiáng)度的同時(shí),顯著提升了復(fù)合板的韌塑性。因此,TA1/TC4復(fù)合板在500℃,1h的退火條件下可以獲得良好的綜合性能。

4、結(jié)論

(1)在較低退火溫度(350~450℃)條件下,復(fù)合板基材的靜態(tài)回復(fù)程度較低,復(fù)合板內(nèi)部的加工硬化現(xiàn)象仍較明顯,導(dǎo)致復(fù)合板韌塑性能力提升不明顯,當(dāng)退火溫度提升至500~600℃,復(fù)合板伸長(zhǎng)率從原始板坯的7.2%提升至13.9%,塑性明顯改善。但退火溫度高于500℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板的屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度迅速下降,600℃條件下僅分別為703.1和301.27MPa,分別是原始板坯的81.3%和65.83%。

(2)TA1/TC4復(fù)合板界面處元素?cái)U(kuò)散能力隨著溫度升高逐漸增強(qiáng),波谷位置尤為明顯,擴(kuò)散層寬度從原始板坯的2.6μm提升至4.0μm,擴(kuò)散層厚度將影響復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度。復(fù)合板拉伸斷口TC4在不同退火溫度下均呈現(xiàn)韌性斷裂特征,TA1側(cè)在500℃及以上溫度處理時(shí)才逐漸呈現(xiàn)韌性斷裂特征,剪切斷口兩側(cè)材料的剪切韌窩也隨著退火溫度的升高而逐漸增多,剪切斷口均出現(xiàn)在TA1基體側(cè),因此,TA1側(cè)的力學(xué)性能決定了復(fù)合板的綜合性能。

(3)“波+平”二道次軋制后制備得到的TA1/TC4復(fù)合板較合適的退火工藝制度為退火溫度500℃,退火時(shí)間為1h。該條件下復(fù)合板的屈服強(qiáng)度為802.3MPa,剪切強(qiáng)度為366.54MPa,伸長(zhǎng)率接近10.5%,在保證復(fù)合板強(qiáng)度的同時(shí)使其塑性變形能力顯著提升。

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