第37卷第6期2020年12月
Voi.37No.6
Decembee2020
Ti穀臧
田晓东'，王小苗'，丁旭2，彭艺杰'，周仁健'，罗海龙3
(1.长安大学，陕西西安710064)
(2.西安航空学院，陕西西安710077)
(3.西安市轻金属爆炸复合材料工程研究中心，陕西西安710086)
摘要：通过爆炸焊接技术制备的钛/铝复合板可兼具钛合金耐腐蚀性和铝合金低成本的优点。对钛/铝复合板爆炸焊接技术的研究进展进行介绍，论述了种类、质量比#、基覆板间距及爆炸焊接窗口等主要工艺参数对钛/铝复合板组织和的影响；了影响钛/铝复合板结合界面的主要因素一一金属间化 合物种类、扩散层和界面波形；对钛/铝复合板硬度、抗强度、抗拉强度伸的研究进行了汇总分析。最后，了钛/铝复合板工研究的重点方向。
关键词：钛/铝复合板；爆炸焊接；结合界面；工艺参数
中图分类号：TG456.6文献标识码：A文章编号：1009-9964(2020)06-034-07
Research Progres s of Explosive Welding Technology for Ti/Al Clad Plates
Tian Xiaodong1，Wang Xiaomiaa1，Ding Xu2，Peng Yijie1，Zhou Renjian1，Lua Hailong3
(1./hang'an University，Xi's710064,/hina)
(2.Xi'an Aeronautical University，Xi'an710077，China)
(3.Xi'an Light Metai Explosive Composite Materiale Engineering Research/enter，Xi'an710086，China)动力基因论坛
Abstract:The Ti/AO clad plate prepared by explosiw welding technology can haw the advantagvs of titanium Slay cagosion resistanca and aluminum Slay low cast.The reseerch progress of explosiw w
elding technology fgr Ti/AO clad plates was iny■oduced，and discussed the effects of technoloyicai parameters such as explosiw types，mass ratic #，base-to-Tyer plate spacing and explosiw welding window on the structure and performanca of Ti/Al clad plates，and the main factors affecting the bonding inmrfaca of Ti/AO composite plate were analyzed，Cicluding the types of intermetallic compounds，diOusion layer and interfaca wawform of the interfaca in the Ti/AO clad plate.The studies on hadness,sheer strength，tensiOe strength and tensiOe fracture of the Ti/Al clad plate were summarized.FinSly,the development trend of explosiw welding technology far Ti/AO clad plate is pointed out.
Key words:Ti/Al clad plate；explosive welding；bonding interfaca；process parameter
钛及钛合金具有比强度高、耐温力学 异的特点，在航空航天、舰船等行业被广泛使用，但其格较高[1，2]%合金密度小，作为主要的轻量化结构材料，是制行器的主要材料，在工艺和价格上较其他合金有明显优势，
收稿日期：2020-06-25
基金项目：2019年度西安航空科技创业资金项目(2019-01)；
大学生创新创业(S202010710224)；西安
市科技创新引导项目(201805032YD10CG16(3))
通信作者：田晓(1980—)，，副教授。
其耐较差，易发生大降行器的使用寿命[3]%同时，飞行器在大超速飞行时，受激波体间高温压缩气体的加热和机体表面强的影响，飞行器的温度随数的而上升，超过了铝合金的限使用温度，使其强度大大％因二者性能有合有重要意义。，钛、铝之间的异较大，直合具有较大的难度。爆炸又合，是以进行金属复合的方法，可实现300余种金属材料的复合，且50余
第6期田晓东等：钛/铝复合板爆炸焊接技术研究进展35
种金属复合板已投入使用W
本近年来钛/铝复合板爆炸焊接工艺、结合界面组织及其力学的研究进展，并钛/铝合板的重点方向，以期钛/铝复合板在我国航空航天领域的应用参考。
1钛/铝复合板的爆炸焊接工艺
1钛/铝复合板意图。均匀
在覆板(钛板)上的引燃后，的化为覆板的，覆板与基板(铝板)速，点金属射除金属表面的氧化膜及吸附层，洁的金属表面在高温、高压用■生塑性变形、原子扩散化等现象，基覆板.复合形成钛/铝复合板[6-8]0
图1钛/铝复合板爆炸焊接示意图
Fig.1Schematic diagram of explosion welding of TO A l
clad plate
钛/铝复合板常采用边部中心起爆、基覆板平行法安装[9-11]，以减少因气体导•合界面处孔洞等缺陷，点近过现象而影响复合板质量。根据统的状态，工艺参数静态参数和动态参数。静态参数统处于静态的参数，主要包括种类、质R、安装形间距等。动态参数时间段内的参数，主要包括速度0、速度0、点速度0，"等。动态参数由静态参数决定，通过态参数可计算出理论[12，13]%
1-1静态参数
1.1.1种类及质量比
影响钛T合板质的定
因素!'[14]%种类的选择取基覆板材料的声速，为获得稳定的再入射基覆板结合界面理，速度应小于基板及覆板材料的体积速[4，12]%钛、铝的体速分别为4786、5370m/s，因此多选用爆炸速度0为1500-2700m/s的中低速%1近年不同钛/铝复合板
主要工艺参数，选用速的钱油混合或粉化(加入食降低爆炸速度)％质量比R计算式如下：
R=%⑴
式中：％为密度，&为厚度，％为覆板密度，&为覆板厚度％R大导致碰撞速度增加，当速度大限速度0mm时，基覆板界面塑性变形并产生复合；R增大：炸载荷增大，有利于基覆板充分塑性变形增加面结合强度，但R过大时基覆板
大量热能，导化，合面形成熔化层，降面结合强度％根据表1数据，基覆板间距相同时，随质R增大结合界面由波合转变化层结合；基覆板间距不同时，随质量基覆板间距比值的增大，结合面转变过：直线结合！波状结合！熔化层结合％
1.1.2基覆板间距
基覆板间距时覆板加速提供空间％Stiveo 等人[26]研究，基覆板间距2度及覆板度有，算：
2=0.2(&+&)(2)据式(2)算得到基覆板间距，再合经验校正，得复合板结合界面往往为波合％表1基覆板间距(2)算相近的验，其界面结合方波合[16-18]%
1.2%态参数
碰撞速度0、碰撞点移动速度0及碰撞角"是爆炸焊接中主要的动态参数，三者间 ：0=20sm(号)(3)任取其中2个参数可在同一平面内形成域，即，一选取0与"计算
%
4个边定，2%为确保金属射流的形成，Abrahamson等人*27+认为应的函数，右边界0/vh计算式如下：
0m y I=1)+5.5(4)
(边面波合直线合的
点%确形成的波合面，
点
钛工业进展
Titanium Industry Progress
37卷
36
表1不同文献中钛/铝复合板爆炸焊接工艺参数
Table 1 ExpeOrnental parameters foe explosive welding of Ti/Al clad plates in dmerent literatures
* Calculated acccrding te the date in the literature.
Parametes
Literatura
* 15:
Literatura
* 16:
Literatura
* 17:
Literatura
* 18:
Literature
* 19:
Literatura * 20 -23 ]
Literature * 24:
2010年广东高考作文Literature
* 25:
Base plate 2 a *1060106010602A121050
2 A O Aa
Flyes plates TA2
TA2
TA2
TA2
TA2
Gs. 2
TA2
Tt
Rock powdes Rock powdes
Rocj powd-a Rocj powd-a Rock powdei a
emulsion emulsion
emulsion -muaiton Ammontum
-
muaiton
Explosives
powdes QTYIT 1 1 Gil OT1explosive explosive
explosive
-epaoite-
otamte-d -epaoite-
tnt
匸丄丄丄U ■丄3丄Oil
(mixed (mixed
(mixed
( mte-d
-房地产法论文
epaoite-
( mte-d
expaosiee
38%N e 1)38%N e 1)35%Nacl )
50%N v 1)50%Nacl
)
0/m • s _1
2600
2200
2200
2200
2200 h2400
1900~1950
—
4500
&0/mm 25
25
住宅室内装饰装修管理办法22
2014
1416.5
—
24.520
&/m m 23
2
1
2.5
2.5
20.8
4
0.52/m m
—7
5444
1.5
1.5
2
1.5
R — 1.48* 1.95 *
3.54 *
0.96 1.460.96
————R/h
—
0.21* 0.39 *
0.51 *
0.24* 0. 37 *
0.24 &
—
—
—
—
Combined interface
Wavy
Straight
WaeU
Melting
Melting
Waee
Waee
Waee
Waee
Waee
Waee天津路网
n
layes layes
移动速度应大于0m-，O m-计算式如下*'A
式中：#为雷诺系数（钛/铝复合板# v 10. 6*13+）；
5p 为基板维氏硬度；5e 为覆板维氏硬度；几为基板 密度，jg/m 3 ； %为覆板密度，jg/m 3
%
边界0m-
点的冲击压力大于材料的屈
服应力时的最小
速度，以 合界面 塑
变形，计算
*29+:
0m" = （ #%）
! 6 #
式中：心为材料抗拉强度，Pa ； p 为材料密度, jg/m 3 %
上边界0max 为防止爆炸焊接时结合界面出现熔
化层的最大
速度，计算式如下*30+：
O 二丄（78 2
/ KCp_C 84
（7）
pmax 6
0 % 2o
'丿
式中：6为经验常数，0.062； 7为覆板熔化温度,＜；
C 为覆板体 速，m/s ； 0： 点 速度（当
采用平行
时，速度），m/s ； K
覆板的导热系数，W/（m ・＜）；2f 为覆板厚度，m ；
C p 为覆板的比热容，J/（ jg ・°C ）°
以文献［13 +中TA2/2A12复合板动态工艺参数
算 ，
2
%研究 ，
在
内选取动态工艺参数，所得合板
波 合且无明显缺陷， 用要求％因
此深入研究钛/铝复合板
钛/铝复合
板研究的重要方向，选取合理的动态工艺参数对获
得高质量的钛/铝复合板具有重要意义％
图2 TA2/2A12复合板爆炸焊接窗口
F i / 2 TA2/2A12 clad plate explosion welding window
上所述，采用边部
、基覆板平行法
安装方式制备钛/铝复合板时，动态工艺参数应在爆
内， 选
速的鞍油混合 或岩
粉 化 ，质 #在0.96左右，基覆板间
第6期田晓东等：钛/铝复合板爆炸焊接技术研究进展37
距为2=0.2(&+&)。
2钛/铝复合板的界面组织及力学性能
2.1钛/铝复合板的界面组织
2.1.1结合界面波形
钛/铝复合板界面结合方直线结合、波合化层结合，3［16］，其波状结合复合板结合界面总面积最大，结合态最佳［26,31］%结合界面波形主要速度0有关，当碰撞速度小于0mn时直线结合，0mn O mcx之间时为波合，大于0ms时为熔化层结合％此外，朱锡等人［31+研究了材料合界面波形的影响，结，在载荷的作用相同或近似材料的塑性变形能力相同，复合板结合界面•称的波合，反之的波合％钛/铝复合板的结合界面通常的波合％
TII b
1060
TA2
Melting layer
"KM
图3钛/铝复合板不同结合方式的界面形貌[16]
Fia-3Interface morphologies of TO A O clad plate with dOferent bonding modes:(a)straight joint；
(b)wave joint;(c)melting layer bonding
表征波形的主要参数是波长和波高。已有研究，随距起爆点距离的波长和波高逐渐增大［32］，随质#的增大波长和波逐渐增I［17，18］O合板过，臾
定轰炸向稳定过渡，导载荷逐渐变大，而且，距点越远基覆板间震动越，基覆板间载荷增大，从而使波长、波高逐渐变大％
2.1.2结合界面的扩散层和金属间化合物
复合板过，结合界面存在的化学成异扩散，适的扩散：高复合板的结合强度，但过度的扩散会导合面
生成钛/铝金属间化合物，影响复合板的结合强度［12］o不同学者进行的后钛/铝复合板合界面形成的金属间化合物进行了，见2%形成的化合物通常有T/AO$、TiAl 等％Kattner等人［42］从热力学角度了ToAO相图，研究认为、TOA1、TiAl为固态钛与液态铝反应成，高温态a-Ti经共应生成TiAl或a-Ti经共析反应生成TiAl与TOAO,TiAO由液态a-Ti经一应生成，其成TiAO的热力学成TiAl与Ti3AO%从4所示钛/铝金属间化合线［43］以，T1A13、TOA1、TiAl3种化合物中TiAO的形成自由能最低%TiA分为高温下h-TiAO相与低温下r-TiA相，h-TiAO是以TiAl为初始相态铝经固液反应生成，r-TiAO是由T/AO经共应生成％
，速度影响钛/铝复合板结合界面金属间化合物的生成％2
表2爆炸焊接后钛/铝复合板界面形成的金属间化合物Table2Intermetaaic compound formed at the interface of TO A O caad paaeeaeeeexpaosCon weadCng
Reseaechees
DeeonaeCon
/m•s_1
Ineeemeea a Cc
compound
Aaeeeheae
eeeaemene
Fronczek[20-23'33'34]
1900〜
1950
TiA13、Ti s Al、
TCAa、TCAa2
TCAa3
Hang Tao*35+—TiA13、TiA12、TiAl—
Fang*17+2200TiA13、TiA12—
湖北理工学院人文社科部
Fang*18]2200TiA13、TiA12、TiAl—
Xu WeC*32+—TiA1
3、TiA12、TiAl—
Paua*36+2200TiA1
3、TiA12、TiAl—
Koseueek*37+
—TiA13、TiA12、TiAl—PeC*38+—TiA1
3、TiA12—
Baeaev*39+4200NoespecCaCed TCAa3
Laeueenko*40+4200TiA13、TiA12TCAa3
Foad Can*25，41+4500TCAa3TCAa 3
钛工业进展
Titanium Industry Progress37卷38
图4钛铝金属间化合物自由能曲线⑷, Fig.4Foe eneray cuoes of Ti-Al intermetallic compounds
Temperature/K
可知，在低爆炸速度(1900~1950m/s)下结合界面主要生成TiOO、T-3AO TiOO和TiAl化合物；当爆炸速度为2200mA时，结合界面主要生成TiAO、TiAO和TiAl化合物；在高爆炸速度(4200~4500 m/s)下结合界面主要生成TiAO和TiAO%这是由于结合界面处温度随爆炸速度的增大而，固态钛或TiAl与液态铝经应转变成TiAO及TiAO%众多学者*20-凸，25,33,34,39-41+钛/铝复合板进行了630〜650＜热处理，研究探索其结合界面微观组织变。，热处理后的钛/铝复合板结合界面仅生成TiAO连续层，这是由于TJ Al形成最，且生成TiAO的面最低，因在结合界面生成TiAO的率最大，热处理后复合板结合界面仅有TiAO存在。
2.2钛/铝复合板力学性能和失效机制
钛/铝复合板的力学参数通常有界面硬度、弯、抗强度、抗强度等％钛/铝复合板结合界面处硬度为 1.421~2.499GPa*16，17,24,32,36+，导致的加工硬化程度有关，七
时结合界面处温度快速上升和下降导致的细晶细化作用有关*7，12，16,24+%钛/铝复合板抗弯强度通常可达235〜288MPa，且弯曲至160。〜180。结合界面不现分层*7，12，15，17，19,22+%其抗强度主要合界面原子扩散和波形决定，随工艺不同在72.1〜151.2 MPa*12,16一18+之间；经过!440〜450)°C/(2〜3)h热处理后，界面抗强度通常为80MPa左右％在基覆板之间过渡层(通常1060铝合金)，有面抗强度*18+%钛/铝复合板的抗拉强度在165-5〜430.3MPa之间，与基覆板材料、厚度及爆炸焊接工艺有关；延伸率约为20%*7,15一19,25+%钛铝合板的拉伸的韧彳*12，16，18,35,38+，常部熔化区内金属间化合物在拉应力作用微裂纹，随应变的大，裂纹变大并延伸至钛侧、，钛/铝复合板结合界面层，最后导、钛侧相继%
3结语
国内外有关钛/铝复合板爆炸焊接的研究已取得一定的成果％现有研究成果，选用鞍油混合或岩石粉化(加工业盐)，质
R为0.96左右，方边部，基覆板采用平行法安装，基覆板间距为2二0.2(&+&)；
态工艺参数在内可减少钛/铝复合板合界面金属间化合物的，有利于得面合质量的钛/铝复合板％今后，钛/铝复合板爆炸工研究应当存在的，在以下方面加强研究％
(1) 钛/铝形状的研究主要集中在板/板的合，后续应充的优，宽钛铝的形状，、板等%
(2)为响应国家绿环保产业的建设，研究人员应加强研制，减的污，利用率%
(3)技术具有不、瞬时
险性的特点，且工艺参数通常为经验公实1经验共同决定，为获得最优的工进行验，从而验周期，造成材料及人力的浪费，成本，因应不善
数值模拟理论，合材料工
强有力的支撑％
参考文献
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Journal of Materials Processing Technoloye,2008,195(1/3): 232
-240.
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