超声波固结/脉冲电流后处理钛-铝层状复合材料组织与性能

摘要

超声波固结成形(UC)技术以大功率超声波作为能量源，通过换能器进行声能—机械能间的转换，利用金属箔材层间振动产生局部温升形成的热场耦合超声能场，使同种或异种金属材料实现快速、高质量的固态连接。本文以Al1100箔材和TAl箔材为原材料，利用超声波固结成形技术，在三种不同工艺条件下制备Ti/Al层状复合材料，探究其固结后界面微结构及形成机理，并对不同超声波固结工艺参数下Ti/Al层状复合材料的剥离、拉伸性能及其断口进行研究，建立起工艺-微结构-性能间的关系。在此基础上，采用不同电流密度高能脉冲(EPT)对超声波固结试样进行后处理，并对其进行微结构及力学性能表征，探究脉冲电流不同处理工艺对试样性能的影响。研究表明:
　　超声波固结Ti/Al试样界面结合良好，无新相生成。随着振幅和正压力的提升，塑性变形加剧，界面弯曲程度增大，线焊接密度提高，Al层心部区域位错密度降低且均低于冷轧组织，而界面处位错密度变化趋势则相反。试样Al层心部原有的铜型(Copper)，黄铜型(Brass)，高斯(Goss)等冷轧织构组分消失，再结晶R织构出现，晶粒尺寸增大，并出现二次再结晶晶粒。界面区域形成不同取向的强烈织构，其中包括高斯织构，{111}<110>TD剪切织构及<111>//TD，<110>//RD方向织构，其产生与固结过程受力情况及超声能量影响有关。TEM观察到，低振幅下Ti/Al界面平直无缺陷，Al一侧出现含有亚晶界的等轴晶粒，而钛一侧存在大量位错环，Ti，Al界面处存在如下位向关系:[210]Ti//[001]Al，{002}Ti//{200}Al，证明Al侧动态再结晶晶粒的生长使界面实现冶金结合。随着振幅的增大，界面发生剧烈弯曲，且沿界面出现连续分布的Al纳米晶及氧化铝非晶混合条带，局部区域出现Ti纳米晶。
　　改变固结参数对Ti层硬度值影响不大，其平均值在150～155HV间变化。随着固结振幅和正压力的增大，Al层中界面处动态再结晶晶粒内位错密度增大，硬度值上升，而心部回复程度提高，硬度值下降，界面结合质量增强，粘连面积、最大剥离载荷及剥离功增大，剥离断口微观形貌上表现为韧窝数量增多，尺寸变小，撕裂棱宽度及高度增加，韧窝底部Al原子比提升。拉伸试验结果表明，随固结振幅和正压力的增大，Ti/Al试样界面加工硬化程度提高，更易在拉伸过程中开裂，极限抗拉强度降低23％，而心部组织发生回复，导致试样均匀塑性变形阶段增长。典型拉伸断口观察到Al层出现颈缩，Al、Ti层断口界面均出现尺寸细小韧窝，层裂断面出现波浪状条纹，呈剪切撕裂形貌。层裂区Ti一侧观察到加工硬化现象，相较于未分离界面，粘连Al原子比大幅降低。
　　经脉冲电流后处理(EPT)试样形貌及线焊接密度并未发生改变，层间未观察到互扩散。相较未处理前，随着电流密度的增大，试样中Al晶面衍射峰变窄，位错密度降低，Al层整体硬度水平发生不同程度的下降，且界面与心部的硬度差值逐渐减小，而仅当电流密度达到90.2A/mm2时Ti层出现明显软化。EPT各试样抗拉强度随脉冲电流密度变化不明显，而断裂应变和加工硬化指数较之处理前发生大幅提升，断口形貌观察到层间开裂减少，开裂界面粘连Al原子比提升，证明EPT处理使Ti/Al界面协调变形能力增强。