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中科金屬所《MSEA》一種制造鎂鋁復(fù)合板材的新方法！

2022-07-05 13:59:33 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文采用一種新穎靈活的方法制備了Mg/Al復(fù)合材料板。采用冷噴涂的方法在AZ31B鎂合金板上直接沉積7075鋁合金粉末，從而得到結(jié)合良好的Mg/Al復(fù)合板材。然后對(duì)噴射態(tài)復(fù)合材料板進(jìn)行熱軋(HR)以進(jìn)一步提高(軋制態(tài))力學(xué)性能。從滾動(dòng)方向(RD)和橫向(TD)兩方面系統(tǒng)研究了噴射態(tài)和軋制態(tài)Mg/Al復(fù)合板材的界面組織、織構(gòu)演變、金屬間化合物(IMCs)形成、力學(xué)性能和斷裂行為。結(jié)果表明:CS + HR法制備的Mg/Al復(fù)合材料板的力學(xué)性能與傳統(tǒng)滾接、爆炸焊和擴(kuò)散焊等法制備的Mg/Al復(fù)合材料板相當(dāng)，甚至優(yōu)于后者。噴射復(fù)合材料板材在界面處表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪切結(jié)合強(qiáng)度，這是由CS過(guò)程引起的。HR增強(qiáng)了Al-Al顆粒間的結(jié)合，導(dǎo)致AZ31B Mg層晶粒細(xì)化。此外，在HR樣品界面形成條狀分布的內(nèi)膜細(xì)胞。結(jié)果表明，Al、Mg組份板以及復(fù)合材料板的極限抗拉強(qiáng)度(UTS)均有所提高，而剪切強(qiáng)度略有降低。并詳細(xì)研究了復(fù)合材料板的裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程，以了解其斷裂機(jī)理。

近幾十年來(lái)，鎂及其合金因其自身的優(yōu)良性能而引起了人們的廣泛關(guān)注密度低，比強(qiáng)度高，電磁屏蔽性能好。鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬，在汽車(chē)、航空航天和電子工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鎂合金的主要缺點(diǎn)之一是耐腐蝕性能差，這極大地限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用。要解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)有效的解決辦法就是制造Mg/Al復(fù)合板材，其中鋁可以提供優(yōu)良的耐腐蝕性能，通過(guò)在其表面自然形成致密的保護(hù)性Al2O3膜。

目前，制備Mg/Al復(fù)合材料板的方法有輥焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊、共擠、帶鑄等。顯然，爆炸焊接和擴(kuò)散連接可以形成良好的結(jié)合界面，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和較薄的IMCs。然而, 從生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本和環(huán)境保護(hù)等方面來(lái)看，這些工藝并不適合鎂鋁復(fù)合板材的工業(yè)化生產(chǎn)。輥式粘接是一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的粘接技術(shù)制造復(fù)合材料，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。但文獻(xiàn)表明，在HR過(guò)程中，Mg/Al界面處不可避免地會(huì)形成脆性的IMCs(如Al3Mg2, Mg17Al12)，使其力學(xué)性能下降。例如Nie et al.在400℃熱軋后在200-400℃退火1-4 h制備了Al /Mg/ Al層壓板，結(jié)果表明界面處形成的厚IMCs大大降低了粘結(jié)強(qiáng)度和塑性。此外，在輥粘接前，必須對(duì)配合面進(jìn)行研磨，以去除表面氧化層。此外，原料板需要用鉚釘或焊接固定在一起，以防止軋制過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于原料板之間缺乏預(yù)粘結(jié)，通常需要真空爐進(jìn)行加熱，以防止界面氧化。因此，上述問(wèn)題限制了軋制結(jié)合技術(shù)在制備高質(zhì)量Mg/Al復(fù)合材料板中的應(yīng)用。

CS作為一種很有前途的用于多種材料的固態(tài)沉積技術(shù)，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。在CS過(guò)程中，原料粉末在高壓高溫推進(jìn)氣體的加速作用下，受到基體或預(yù)沉積層的沖擊。冷噴涂沉積的持續(xù)生長(zhǎng)很大程度上依賴(lài)于顆粒-顆粒界面的嚴(yán)重塑性變形和絕熱剪切不穩(wěn)定性。在整個(gè)CS過(guò)程中，原料粉末的溫度保持在其熔點(diǎn)以下，從而避免了氧化、相變和最終鍍層的熱應(yīng)力。迄今為止，已成功制備出各種組織致密、力學(xué)性能優(yōu)良的金屬鍍層。其中包括純銅、鋁、鎳、鋅等及其合金。

在前人工作的基礎(chǔ)上，CS與HR相結(jié)合(CS+HR)已被證明是一種制備金屬層合板的有效方法。Zhao et al.利用CS在鋼板上沉積純鈦粉末成功制備鈦/鋼復(fù)合板，并研究了熱軋和噴淋后退火處理對(duì)其組織和力學(xué)性能的影響。采用CS+HR法制備層合材料，可以很好地控制各組成金屬層的厚度。此外，高速顆粒撞擊(沉積過(guò)程中)可以打破基材和原料粉末表面的氧化膜。該冷噴層壓復(fù)合材料不僅可以作為某一用途的成品，還可以作為軋輥粘接的中間產(chǎn)品。也就是說(shuō)，可以用CS代替?zhèn)鹘y(tǒng)軋制工藝中的鉚釘固定和焊接工序，實(shí)現(xiàn)各組成金屬板之間的緊密無(wú)空洞結(jié)合。因此，在軋制過(guò)程中不再需要真空爐，避免了不必要的界面氧化。

據(jù)作者所知，目前還沒(méi)有通過(guò)CS+HR制備Mg/Al復(fù)合板材的嘗試。在此，中科院金屬所Jiqiang Wang教授團(tuán)隊(duì)探索CS+HR制備商業(yè)應(yīng)用的Mg/Al復(fù)合板材的可行性。研究了不同工藝條件下Mg/Al復(fù)合材料的RD和TD界面組織和力學(xué)性能。利用混合物規(guī)則(ROM)預(yù)測(cè)Mg/Al復(fù)合材料板的抗靜電強(qiáng)度，并將預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。并詳細(xì)研究了復(fù)合材料板的裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程，以了解其斷裂機(jī)理。相關(guān)研究成果以題“An innovative and flexible approach to fabricate Mg/Al composite plates: Cold spraying and hot rolling post-treatment”發(fā)表在金屬頂刊Materials Science and Engineering: A上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143515

1.采用冷噴涂技術(shù)成功地制備了界面結(jié)合良好的(預(yù)粘合)Mg/Al復(fù)合材料板。7075 Al鍍層與AZ31B Mg鍍層之間形成了較強(qiáng)的機(jī)械聯(lián)鎖，這是由CS過(guò)程中的嚴(yán)重沖擊引起的。噴射態(tài)Mg/Al復(fù)合板材的抗拉強(qiáng)度、EL強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別為262 + 5.7 MPa、4.4 + 0.2%和127 + 6.5 MPa。

2.熱軋后，板條分布的IMCs、新的結(jié)合界面和微孔交替分布在原始界面上。IMCs由AlsMg2和Mg17Al12組成。

3.熱軋強(qiáng)化了Al-Al顆粒間的結(jié)合，導(dǎo)致AZ31B Mg層晶粒細(xì)化。結(jié)果表明，Al、Mg組份板及復(fù)合材料板(RD: 369 + 7.6 MPa, TD: 366 + 14 MPa)的抗壓強(qiáng)度均有所提高。對(duì)于噴涂和軋制后的RD樣品，Pre. UTS(由ROM預(yù)測(cè))和Exp. UTS很好地一致。然而,As - Roll TD樣本的Pre. UTS略低于Exp. UTS，因?yàn)镽OM沒(méi)有考慮到條帶分布的IMC的影響。

4.斷裂后，Mg/Al復(fù)合板材沒(méi)有發(fā)生完全的分層，EL值始終保持在7075 Al和AZ31B Mg組份之間。由于7075層固有的低延性，裂紋最初產(chǎn)生于7075層的外表面，并向界面擴(kuò)展。

圖1 冷噴涂(a)和熱軋(b)工藝的示意圖。面板(c)顯示了軋制時(shí)Mg/Al復(fù)合材料板的數(shù)字圖像不同的觀點(diǎn)。

圖2 拉伸試樣的原理圖和精確尺寸(a)剪切(b)試驗(yàn)。

圖3 7075原料的SEM顯微圖(a-c)和粒度分布(d)粉。圖(e)為S1和S2的EDS點(diǎn)分析結(jié)果。

圖4 ND-RD (c, d)和ND-TD (e, f)面噴射(a)和軋制(a) Mg/Al復(fù)合材料板的截面SEM圖。圖(b)顯示了圖(a)的EDS映射結(jié)果。圖(g-i)顯示了分別對(duì)新鍵合界面、IMCs和孔隙進(jìn)行的EDS線掃描。面板(j)匯總了面板(d)和(f)的點(diǎn)分析結(jié)果。

圖5 噴射態(tài)和軋制態(tài)Mg/Al復(fù)合材料板的XRD譜圖界面區(qū)域。

圖6 研究了噴射態(tài)(a, b)和軋制態(tài)(c, d) Mg/Al復(fù)合材料板沿界面分離的斷口形貌。界面IMCs分布示意圖(e)。

圖7 圖像質(zhì)量圖像(a, d)，反極圖(b, e)和極圖(c, f)噴射態(tài)7075 Al鍍層和接收態(tài)AZ31B Mg鍍層圖。

圖8 圖像質(zhì)量圖像和反向極點(diǎn)圖取自于噴射時(shí)(a, d)，軋制時(shí)RD (b, e)和軋制時(shí)RD (c, f)復(fù)合材料板的截面積。面板(g-i)顯示了Mg層的極線圖。

圖9 不同工藝條件下Mg/Al復(fù)合材料板界面附近的維氏顯微硬度分布:噴態(tài)(黑色)、軋制態(tài)(紅色)和軋制態(tài)(藍(lán)色)。圖中為典型的7075 Al、AZ31B Mg和界面壓痕的SEM圖像。

圖10 噴射態(tài)(a)、軋制態(tài)(b)、軋制態(tài)(c)復(fù)合材料板和薄板的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？辜魪?qiáng)度(d)與剪切粘結(jié)強(qiáng)度(e)的柱狀圖。

圖11 拉伸試樣的斷裂形貌: 噴射態(tài)(a-d); 軋制態(tài)RD (e-h); 軋制態(tài)TD (i-l).

圖12 不同應(yīng)變水平下拉伸試樣的OM截面圖像，它代表了復(fù)合材料板的斷裂過(guò)程:裂紋萌生(a)、裂紋擴(kuò)展(b)和斷裂(c)。

圖13 剪切試樣的斷裂形貌:噴射態(tài)(a, d)、軋制態(tài)RD (b, e)和軋制態(tài)TD (c, f)。不同加工條件下的界面斷裂示意圖:噴射態(tài)(g)、軋制態(tài)RD (h)和軋制態(tài)TD

綜上所述，首次采用冷噴涂與熱軋相結(jié)合的工藝制備出了具有優(yōu)良組織和力學(xué)性能的Mg/Al復(fù)合板材。研究了Mg/Al復(fù)合材料在不同工藝階段的組織和力學(xué)性能。噴涂后的樣品具有較高的剪切強(qiáng)度(127 + 6.5 MPa)，這是由于其具有較強(qiáng)的機(jī)械聯(lián)鎖作用。熱軋后，RD (78 + 6.9 MPa)和TD (124 + 4.6 MPa)的剪切粘結(jié)強(qiáng)度均有所下降。軋制態(tài)RD和軋制態(tài)TD試樣剪切粘結(jié)強(qiáng)度的差異可能與內(nèi)模組織的帶材分布形態(tài)有關(guān)。

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