爆炸复合板后漩涡的组织结构及裂纹形成机理研究

材料及方法

试验材料为Monel400/Q345R爆炸复合板，基板和覆板为Q345R和Monel400厚度分别为12mm和3mm，爆炸焊接后进行消应力热处理。沿爆炸方向制备截面试样的尺寸为15mm×15mm×10mm，采用日立S-3400N扫描电镜（含EDS附件）和安捷伦G200纳米硬度仪对界面后漩涡的形貌、组织结构、化学成分以及纳米硬度和弹性模量进行表征和分析。

2  试验结果及分析

爆炸焊接界面典型漩涡形貌如图1所示，图1（a）、1（b）、1（c）和1（d）分别为整体形貌、气孔内壁柱状晶（Ⅰ区）、漩涡边缘表层等轴细晶及随后向内部生长的柱状树枝晶（Ⅱ区）和漩涡心部的等轴树枝晶及胞状晶（Ⅲ区）的放大形貌。表明具有“表层等轴细晶区-柱状树枝晶-心部粗大等轴树枝晶和胞状晶”结构。

漩涡中心及周边分别存在较大和较小的裂纹（图1a）;漩涡内存在半径约为15μm孔洞且内壁向心生长不同位向柱状晶（图1b）;图1c中的 “Ⅰ”区由自覆板界面向漩涡内生长厚度约为2-4μm的较薄等轴细晶区构成，为凝固较大过冷度和返熔区相互制约形成[4];图2c中的“Ⅱ”区为在细晶区基础上向漩涡心部生长的平行柱状树枝晶，S、P、Ni、Fe和Cu等元素导致生长界面前沿液体中存在较大成分过冷，因此，柱状晶以树枝晶方式生长，最终形成方向性较强的柱状晶结构，生长方向垂直于漩涡边界，一个柱状晶中含有几个一次枝晶轴。图1d为漩涡心部等轴枝晶及相邻胞状晶结构，其原因在于心部的温度梯度变小，成分过冷度增大;漩涡快速凝固过程中，杂质S和P与Fe和Ni形成Ni3P+Ni、Fe3P+Fe及NiS+Ni等低熔点共晶组织形成液态薄膜无“愈合”作用，导致在相邻柱状晶晶界或柱状晶生长对接界面形成热裂纹。

图2为漩涡中A、B和C的微区EDS分析位置及相应的谱图。A区的成分和基板的成分相近。谱图B和C分别表明漩涡边缘和内部均为基板和覆板熔化混合后相近的成分，由富Cu相和富Ni-Fe相的两相微观结构构成面心立方Cu-Ni-Fe凝固組织，甚至为有序和无序相互转换形成的面心立方三元（Cu，Ni）3Fe相[5]。

图3为基板、复板和漩涡中等轴细晶、柱状晶和等轴树枝晶/胞状晶区域的纳米压痕硬度和弹性模量图。

漩涡内的等轴细晶、柱状晶和等轴树枝晶/胞状晶区域的硬度分别为2.04GPa、1.59GPa和1.29GPa，对应的弹性模量分别为189.6GPa，137.5GPa和127.6GPa。说明漩涡的硬度和弹性模量存在对应关系，硬度较大，弹性模量也较大。漩涡结构的不均匀性导致硬度和模量的不均匀性。特别在漩涡心部，等轴树枝晶二次枝晶枝晶间距在0.5μm左右，组织更加疏松，导致硬度和模量最低。

基板中铁素体和珠光体的硬度分别为2.3GPa、2.92GPa，弹性模量为289.8GPa、296.7GPa，复板的硬度为2.75GPa，弹性模量为246.9GPa。说明漩涡的硬度和弹性模量较基板和复板显著降低。

3  结论

漩涡中的气孔和裂纹，内部等轴细晶-柱状晶-等轴树枝晶-胞状晶构成不均匀结构;漩涡中存在双相混合组织甚至三元（Cu，Ni）3Fe相，从而漩涡以其结构和组织的不均匀性导致硬度和模量的不均匀性。

参考文献：

[1]韩顺昌.爆炸焊接界面相变与断口组织[M].国防工业出版社，2011.

[2]Samardzic I， Kozuh Z， Matesa B. Structural analysis of three-metal explosion joint：Zirconium-Titanium-steel[J]， Metabk， 2010， 42（2）： 119-122.

[3]Li Yan，Wei Shi-zhong， Long Rui. Research on Morphology and Phase Structure in the Interface  of  Al-Cu  Formed  by  Explosive  Cladding[J]. Key  engineering  materials，2007，338（1）：2569-2571.

[4]Slimi M， Azabou M， Escoda L， Su？觡ol J J， KhitouniM.Structural and microstructural properties of nanocrystalline Cu–Fe–Ni powders produced by mechanical alloying[J]. Powder Technology， 2014，266， 262-267.

[5]Servant C， Sundman B， Lyon O. Thermodynamic Assessment of the Cu-Fe-Ni System[J]. Calphad， 2001，  25（1）： 79-95.

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