中间层对A356/2024铝基层状复合材料界面组织及性能的影响

摘要

金属层状复合材料，是指利用复合技术将两种或以上物理、化学及力学性能不同的金属在界面处实现牢固、稳定结合的一种新型复合材料。与单一的金属材料相比较，金属层状复合材料具有着独特的“相补效应”，可以将不同金属组元所独有的特性进行组合，取长补短，以满足特殊环境下对复合材料的严苛要求。正是由于金属层状复合材料具备有多组元的独特性能，使得金属层状复合材料广泛应用于航空航天、电子电力、石油化工、建筑装饰、汽车、船舶等各个领域。 本文重点研究对铝基层状复合材料界面处添加不同的中间层金属，以中间层金属作为界面过渡层，提高界面的润湿性和抑制合金元素的扩散，以解决复合材料在界面处的存在应力集中和硬脆金属间化合物生成的难题。本实验采用液-固铸轧技术制备铝基层状复合材料，以Zn、Ni、Cu中间层替代2024铝基板表面的氧化膜，并将其与高温的A356铝熔体进行铸轧复合，获得了A356/Zn/2024、A356/Ni/2024、A356/Cu/2024铝基层状复合试样。通过对2024铝基板表面Zn、Ni、Cu层的表面形貌、化学成分及生长模型进行研究，并对比在不同中间层金属和A356铝熔体浇注温度下对复合试样界面组织及性能的影响，综合分析得出以下结论： （1）由于铝合金材质特殊的物理化学性质，需要对其进行二次浸锌处理以获得结合良好的金属性镀层。在制备Zn镀层时，发现Zn颗粒呈细片状紧密堆积在铝基体表面，随着电镀时间的延长，Zn镀层的厚度变厚，对铝基体表面的覆盖率提高，但相应的Zn镀层会在局部区域择优生长，使Zn镀层表面不平整，恶化镀层质量。对比电镀时间为10、15、20min的Zn镀层表面形貌，在电镀时间为10min时获得的Zn镀层表面质量最佳，Zn镀层截面厚度约为5-6μm。Ni、Cu镀层在铝基体表面均呈椭球状分布，且Ni镀层的晶胞尺寸要远小于Cu镀层的晶胞尺寸。 （2）对比分析A356/2024与A356/Zn/2024复合试样在界面处的显微组织、成分分布、元素扩散及界面XRD，可知Zn中间层并不会与两侧铝基体内的合金元素发生化学反应，形成某些硬脆相来恶化复合界面的结合强度。Zn中间层的主要作用是替代2024铝基板表面固有的氧化膜，以提高异种铝合金界面之间的润湿性。 （3）对比分析A356/2024与A356/Zn/2024复合试样的界面显微硬度分布图，在高温A356铝熔体的热作用下，会在2024铝基板表面一侧形成硬化相，如θ-Al2Cu和S-Al2CuMg相，而硬化相的存在会导致硬度峰位于2024铝基板一侧，而不是位于复合界面处。Zn中间层存在的意义仅是为了提高固相铝基板与高温铝熔体的润湿性，并在接触铝基板表面形成更宽、更深的熔融区域，使得铝基板一侧形成更多的硬化相。 （4）A356铝熔体浇注温度对复合材料界面剪切强度影响有所不同。当铝熔体浇注温度较高时，表面Zn处理对界面剪切强度提升较为明显，有利于发挥Zn中间层作为保护膜和提高润湿的作用，在铝熔体浇注温度为700℃，复合试样的界面剪切强度由表面未镀Zn处理时的100MPa提升到表面镀Zn处理时的141MPa，剪切强度提升达40%；当铝熔体浇注温度较低时，表面Zn处理对复合试样的界面剪切强度反而会有所制约，A356铝熔体的半固态特性将会对复合试样界面剪切强度值的高低起主导作用。特别的，在A356铝熔体的浇注温度为610℃时，即使没有了Zn中间层的过渡层作用，所获得的A356/2024复合试样的界面剪切强度为153MPa，为复合试样界面剪切强度实验组中的最高值。 （5）由于本实验所采用的是铸轧快速成形，高温的铝熔体与Ni、Cu中间层的接触时间有限，造成Ni、Cu元素扩散受阻，残留在界面处，并不像Zn元素会发生混熔和扩散。Al-Ni与Al-Cu之间的共晶反应温度虽低于A356铝熔体的浇注温度，但Ni、Cu元素的熔点都相对较高，高温铝熔体的热量不能直接传递到铝基板表面，只能依靠微弱的扩散反应来完成复合材料的界面连接，而这种连接方式必定没有冶金结合的结合强度高，最终导致A356/Ni/2024、A356/Cu/2024复合试样界面剪切强度的降低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 金属层状复合材料制备工艺

1.3 液-固相金属层状复合工艺

1.4 金属层状复合材料中间层制备技术

1.4.1气相沉积技术

1.4.2热浸镀技术

1.4.3表面镀膜技术

1.5 金属层状复合材料界面行为的研究及现状

1.5.1 金属层状复合材料的界面结合方式及机理

1.5.2 金属层状复合材料的国内外研究现状

1.5.3 存在的问题

1.6 本课题的研究内容

第2章 实验材料与方案

2.1 实验材料

2.1.1 实验材料的选择

2.1.2 实验设备

2.2 实验流程

2.3 组织分析及力学性能检测

2.3.1 扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析

2.3.2 X射线衍射（XRD）分析

2.3.3 界面显微硬度测试

2.3.4 界面剪切强度测试

第3章 中间过渡层的制备及分析

3.1 中间过渡层的选择

3.2 Zn中间层的制备及分析

3.2.1 Zn层的表面处理工艺

3.2.2 Zn层的表面形貌

3.2.3 Zn层的表面化学成分

3.2.4 Zn层的生长模型

3.3 Ni、Cu中间层的制备及分析

3.3.1 Ni、Cu层的表面处理工艺

3.3.2 Ni、Cu层表面形貌及化学成分

3.4 本章小结

第4章 Zn中间层对A356/2024铝基层状复合材料界面组织及性能的影响

4.1 A356/2024与A356/Zn/2024铝基层状复合材料分析

4.1.1 界面组织形貌分析

4.1.2 界面元素扩散分析

4.1.3 界面物相分析

4.1.4 界面硬度分析

4.2 A356 熔体浇注温度对 A356/Zn/2024 复层材料界面组织及性能的影响

4.2.1 界面组织及元素分析

4.2.2 界面硬度分析

4.3 A356/2024与A356/Zn/2024复层材料界面剪切强度及断口分析

4.3.1 界面剪切强度分析

4.3.2 剪切断口分析

4.4 本章小结

第5章Ni、Cu中间层对A356/2024铝基层状复合界面组织及性能的影响

5.1 Ni中间层对A356/2024复层材料界面组织及性能的影响

5.1.1 界面组织及元素分析

5.1.2 界面剪切断口分析

5.2 Cu中间层对A356/2024复层材料界面组织及性能的影响

5.2.1 界面组织及元素分析

5.2.2 界面剪切断口分析

5.3 本章小结

结论

展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文