轻质高强度高耐腐钛／铝／钛双立爆炸焊接三层复合材料

摘要

由两次双立爆炸焊接法制备的钛/铝/钛三层复合板，先将钛板和铝板进行退火处理，退火的温度分别是650～700℃和350～500℃，退火时间均为2h。对退火后的板材表面氧化处理工艺过程后，通过间隙及炸药装配工艺过程完成基复板的装配。选用渗入石英砂的乳化炸药，并由双立爆炸焊接的下限原理确定相关静态参数，进行两次爆炸焊接。对复合板进行均匀化退火工艺处理后，通过辊式校平机进行3～5次的校平处理，再进行检验裁边，制成钛/铝/钛三层复合板。本发明所提出的钛/铝/钛三层复合板及其双立爆炸焊接制备方法，在综合了钛和铝的优异性能的同时，提高了工艺效率，仅通过两次双立爆炸便可制备出两块三层复合板，更充分利用了炸药的爆轰能量，可以于界面处产生较好的波状结合，提高金属的接触面积，进而保证了钛和铝的结合强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻质高强度高耐腐钛/铝/钛双立爆炸焊接三层复合材料，属于金属复合材料和机械制造综合技术领域。

背景技术

钛作为新型的高性能金属结构材料，具有良好的塑形和韧性以及优异的耐腐蚀性能等特点，尤其是比强度较高，所以被广泛应用于航空航天、舰船桥梁等高新技术领域，但其缺点是成本较高；铝是地壳中储量最多的一种金属元素，也是轻金属中用量最大的一种，价格低廉，且具有较优异的比强度、比弹性模量以及疲劳强度，是主要的轻量化结构材料。所以若将钛和铝相结合，制成钛/铝/钛的三层金属复合材料，其将兼有钛和铝的各项优异特性。在航空航天行业，钛/铝/钛复合板可用于制作飞机导弹点火区域的蒙皮，可防止飞机机翼由于燃料燃烧而熔化的现象产生，同时作为轻量化结构，在整体上亦不增加飞机的重量，从而很好地满足飞机的服役标准。在桥梁工程等领域，钛/铝/钛复合材料可以制作成新型便携桥，质轻且耐腐蚀性能优异，通过性能强，具有十分广阔的应用前景。

然而钛的线膨胀系数较小，相反铝的线膨胀系数较大，所以在实际结合中常出现钛合金断裂的现象。并且钛和铝都极易氧化，钛在873K时氧化生成的TiO₂会降低焊缝的塑性和韧性；铝被氧化会形成Al₂O₃氧化膜，阻碍两种金属的结合。另外它们的熔点差距较大，铝的是933K，而钛的熔点大约是1993K。这些都是在焊接时要解决的问题。

目前制备此类金属复合板的方法主要有3种，扩散焊、钎焊以及爆炸焊接。

扩散焊：对钛与铝进行真空扩散焊，接头塑性和强度均很低，虽然无宏观变形，但其界面的力学性能较差，且对生产设备的要求也较高，关键是只能制造小面积的材料和零件。

钎焊：结合强度较低，容易出现漏焊等现象，并且也不适用于较大尺寸的复合板板的直接焊接。

爆炸焊接：几乎可以实现任何同种或者异种金属的连接，且所获得复合板材的后续加工性能好。相较而言，爆炸焊接以其较高的结合强度以及大面积的爆炸复合占据着钛/铝复合材料制造工艺的首要位置。而通过双立爆炸焊接复合法不仅可以提高工艺效率，还充分利用了炸药的爆轰能量，可以于界面处产生较好的波状结合，提高金属的接触面积。

但是爆炸焊接双面钛/铝/钛的第二次爆炸焊接会对第一次结合界面产生不利影响，同时由于复板较薄，在二次爆炸时也会使复合板产生破裂现象，因此如何控制爆炸焊接参数以及合理配置复合板的基复板材厚度比，以消除两次爆炸焊接界面的质量相互影响对复合材料的成材率具有重要影响。

发明内容

本发明在于优化双立爆炸焊接制造工艺和参数以获得一种界面结合强度高的钛/铝/钛三层金属复合材料。其特征在于：首先通过双立爆炸焊接制备钛/铝双层单面复合板，其次通过二次爆炸最终制造钛/铝/钛三层双面复合板。

钛/铝/钛三层金属复合材料的双立爆炸复合方法，主要涉及以下几个关键技术和工艺参数：

(一)爆前材料配比及其性能处理工艺

1、基复板配比

选择TA1或者TA2作为复合板的制备复板，厚度为0.5mm～4mm；选择铝1060板材作为复合板的制备基板，3mm～16mm；复板与基板的厚度比值为1∶3～1∶6，复板太薄则其平整度难以控制，导致复合率较低，而基板较薄时，容易在爆炸焊接过程中产生脆裂现象。

2、焊接前退火工艺

对于上述厚度比的钛铝钛复合材料如爆炸焊接前不进行退火处理，则在爆炸焊接过程中，复合材料容易产生裂纹和不结合现象。对基板进行退火工艺，其中退火温度在650～700℃时，钛合金的晶粒基本等轴化，然而超过这个温度后，晶粒仅尺寸会增大，力学性能会随着温度的升高而降低，所以较适宜钛合金的退火温度是650～700℃，保温时间选择为2h；同样，铝1060的力学性能在退火温度为350～500℃时表现较好。退火的保温时间过短会导致金属无法产生再结晶现象，而过长又会导致晶粒尺寸减少，保温时间选择为2h。

3、表面氧化处理工艺：用机械打磨的方法清理板材的待结合表面至其露出新鲜金属后，用丙酮和酒精擦拭干净；钛和铝在常温下化学性能都较为活泼，极易被氧化，将板材放置在干燥环境中并限8h内使用，防止板材表面氧化物的产生，进而抑制爆炸过程中金属间化合物的形成。

(二)单面双立爆炸焊接工艺参数确定

钛/铝/钛三层双面复合板第一次爆炸形成双层单面复合板，其主要控制的爆炸焊接装药参数有药配方、装药厚度和板间间隙这三个关键初始参数：

1、炸药配方：低猛度低爆速乳化炸药更利于爆炸焊接中的排气过程，减少钛/铝复合材料裂纹等缺陷的产生，因此在乳化炸药中渗入40％～50％的石英砂，力度小且爆速均匀，使爆速控制在800m/s～1500m/s，有效多方指数γ控制在1.7～1.9为最佳。

2、装药厚度：炸药爆速确定好之后，为了使界面处呈微波状结合界面，达到最好的焊接效果，钛/铝爆炸焊接装药厚度δ₀由双立式爆炸焊接R-δ窗口的下限装药厚度确定，即以下公式①和②：

式中，R为双立式爆炸焊接质量比，δ_f为复板厚度，ρ₀和ρ_f分别为炸药和复板的密度，E₁为单位面积成功焊接所需的最小能量，γ为炸药有效多方指数，D_k为炸药最大爆速，R₀为最大爆速质量比，k₀为与炸药性质有关的常数；

板间间隙：双立爆炸焊接间隙先用点焊的方式将基复板的间隙固定，再将其装入防护装置中，并完成装药工作，起爆端在顶部中间，板间间隙S由以下公式③确定：

式中，系数K_s≈2～3，δ₀为装药厚度，γ为炸药有效多方指数，R为双立式爆炸焊接质量比。

(三)二次双立爆炸焊接参数控制：

由于复板较薄，且铝的强度较低，第二次爆炸不仅容易对第一次爆炸焊接界面产生影响，而且容易使复合板产生破裂。除了上述工艺参数保证第一次复合界面为微小波状高强度结合外，第二次爆炸焊接参数控制复合板质量主要有以下几点：配置较低猛度爆速的炸药，主炸药的含量小于35％，控制炸药爆速为1000m/s左右；控制两板为下限间隙，间隙材料为较软的铜片；二次爆炸焊接地基参数控制为含水量在9-10％，密度为1.5-1.8g/cm³的沙土地基。

(四)钛/铝/钛三层双面复合板后续处理工艺：

1、复合板焊后均匀退火工艺：将爆炸后的复合板进行均匀化退火处理，其目的在于加速钛和铝元素之间的固态扩散，提高界面的结合强度。均匀化退火的温度过高会导致晶粒尺寸增大，而过低又难以实现固态扩散温度，因此退火温度选择为350℃，时间为3h；

2、校平处理及检验：将爆炸后的钛/铝/钛三层复合板通过辊式校平机进行3～5次的校平处理；对经过校平处理的板材进行检验，并裁剪掉边角处由边界效应而开裂或者未复合的部分，最终得到轻质钛/铝/钛三层金属复合板。

本发明和现有技术相比有以下优点：

钛/铝/钛三层金属复合板具有更优良的耐腐蚀性能，并且比强度高，较常用的钛/钢复合材料而言质量更轻；通过双立爆炸焊接的工艺进行钛/铝/钛三层金属复合板的制备，大大提高了加工效率和炸药的能量利用率，减少加工成本；工艺简单，通过两次双立爆炸焊接就可以完成两块复合板的制备，适合于大规模生产。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为钛/铝/钛三层金属复合板双立爆炸焊接示意图，其中，1为钛复板，2为铝基板，3为防护装置，4为炸药，5为板间间隙，6为地基。

图2为经过两次双立爆炸焊接后的钛/铝/钛三层复合板，其中，1为上层钛复板，2为铝基板，3为下层钛复板。

具体实施方式

实施例一

选择经过退火处理的钛TA1两块和铝1060一块，其中TA1尺寸为3400mm×1040mm×2mm，退火的温度和时间分别为700℃和2h；铝1060尺寸为3200mm×1000mm×6mm，退火的温度和时间分别为350℃和2h。

对上述板材的待加工表面进行机械打磨以及用丙酮和酒精擦拭干净后，安装进双立爆炸焊接装置，并完成装药工作。其中主要的双立爆炸焊接工艺参数为：采用渗入50％石英砂的低爆速粉状乳化炸药，其有效多方指数γ＝1.8，经检测其密度约为0.6g/cm3，爆速约为1500m/s；装药高度为12mm，板间间隙为6mm。

将首次爆炸后的钛/铝复合板作为基板，另一块钛金属板作为复板，对其待加工表面进行处理后用相同的工艺过程和参数进行第二次双立爆炸焊接。二次配置较低猛度爆速的炸药，主炸药的含量小于35％，控制炸药爆速为1000m/s左右；控制两板为下限间隙4mm，间隙材料为较软的铜片；二次爆炸焊接地基参数控制为含水量在9-10％，密度为1.5-1.8g/cm³的沙土地基。

对爆炸后的钛/铝/钛复合板进行退火处理，退火温度为350℃，退火时间为3h。将退火之后的复合板进行裁边、精整和校平。至此，完成了10mm厚度的钛/铝/钛三层复合板的双立爆炸焊接制备过程。