铝/镁合金爆炸焊接界面连接机制及组织特征

摘要

镁合金以其密度小、比强度高、资源丰富和可回收再利用等优势已应用于汽车、航空航天等领域。然而，耐腐蚀性能差的不足严重制约着镁及镁合金的广泛应用。本文以AZ31B镁合金为基板，以6061铝合金为复板，提出采用爆炸焊接方法制备铝/镁合金层状复合板的技术，研究其连接界面的接合机制及组织特征，以期为铝/镁合金爆炸焊接复合板的工程应用提供理论支持。 论文在 ANSYS数值模拟铝/镁合金复合板爆炸焊接的基础上，研究了爆炸焊接过程中的热-力交互作用，揭示了铝/镁合金连接界面的典型波形界面形成机理、漩涡结构和局部熔化区的形成原因；建立连接界面的分子动力学模型，与试验表征相结合，探讨了连接界面的接合机理；采用 OM、SEM、EBSD及TEM表征方法探究了接合界面及近界面组织演变特征；探讨了绝热剪切带组织的形成原因、组织演变特征、影响因素及微纳力学性能；进一步表征了界面接合强度及复合板的综合力学性能。 对不同工艺参数爆炸焊接制备的铝/镁合金复合板接合界面形貌特征分析，发现其接合界面形貌呈现四种典型特征，即平直界面、微波界面、小漩涡结构的小波界面和大漩涡结构的大波界面，且漩涡结构的形成与焊接工艺参数有关；沿着爆轰波方向，复合板接合界面形貌呈现平直界面向波形界面过渡和微波界面向大波界面的过渡变化；波形界面的形成过程是由于高速冲击碰撞区材料的塑性变形引起碰撞点及射流运动方向的周期性运动共同作用的结果；接合界面处漩涡结构的形成主要是由于基板发生大塑性变形捕获界面处的射流粒子形成的特殊形貌结构；碰撞冲击过程中，基板发生的塑性变形越大，捕获的射流粒子越多，形成的漩涡结构越大。 建立分子动力学模型（MD数值模拟）对连接界面处原子运动行为进行了探究，结果表明：界面处原子在爆炸冲击载荷作用的卸载阶段会发生一定的互扩散；建立ANSYS数值模型对连接界面压力分布、塑性变形行为进行了探索，研究发现：连接界面处材料发生了明显塑性变形，且接合界面处的变形程度最大，随着距离接合界面距离的增大，变形程度减小；采用聚焦离子束（FIB）和透射电子显微镜（TEM）对连接界面微区组织成分进行了表征分析，发现连接界面在微观尺度下呈现一层连续的、平均厚度约为2μm的γ-Mg17Al12相过渡层。 采用OM、SEM、EBSD及TEM对复合板接合界面及近界面区组织演变特征进行了表征，结果表明：铝合金侧近界面组织由原始的多边形晶粒转变为拉长的变形晶粒，且变形晶粒内部及晶界处形成了大量的高密度位错及亚晶结构；镁合金侧出现了特殊形貌的绝热剪切带组织，起始于铝/镁合金复合板接合界面，随着距离复合板接合界面距离的增大而逐渐消失；镁合金侧距离接合界面的不同位置，微观组织呈现不同的形貌特征；随着距离接合界面位移的增大，再结晶晶粒所占比例减小，剪切带组织、压缩孪晶和小角晶界的比例增大；漩涡结构内物相为Mg17Al12相和Mg2Al3相的混合组织，且Mg17Al12相分布比例大于Mg2Al3相的比例；局部熔化区的组织为单一的Mg17Al12相。 对爆炸高速冲击载荷作用下镁合金组织中出现的、呈现特定形貌特征的绝热剪切带组织演变特征、形成过程进行了探究，并采用微纳力学测试系统对剪切带微区组织的力学性能进行了测试。结果表明：绝热剪切带组织只在镁合金侧形成主要是由于其HCP晶体结构，其形成过程是由于周期性冲击载荷通过碰撞点作用于镁合金侧，在高应变剪切力作用下材料发生局部塑性变形；剪切带内的组织为细小的再结晶晶粒，且发生再结晶的驱动力是材料局部塑性变形引起的材料温升；剪切带带内的平均硬度值为1.22 GPa，高于带外区域的平均硬度值（0.87 GPa）；平直界面和波形界面处的镁合金侧均形成了绝热剪切带组织，随着波形界面波幅尺寸的增大，绝热剪切带的带宽、密度和长度均随之增大。 对复合板界面接合强度、热处理后复合板界面组织演变、界面微区力学性能和复合板的力学性能进行了测试分析。结果表明：微波界面、小波界面和大波界面对应的复合板界面接合强度分别为188.4、201.2和159.6 MPa；退火后，复合板接合界面均形成了靠近镁合金侧的 Mg17Al12金属间化合物层和靠近复板铝合金侧的 Mg2Al3金属间化合物层；其中，Mg17Al12金属间化合物层呈现柱状晶形貌，Mg2Al3金属间化合物层呈现等轴晶形貌；Mg17Al12相的平均硬度值为3.77 GPa，Mg2Al3相的平均硬度值为4.27 GPa；退火后复合板的抗拉强度、延伸率较爆炸焊接态的复合板拉伸性能均得到改善；其中，经200 oC退火后复合板的抗拉强度最高（达到189.0 MPa），400 oC退火后复合板的延伸率达到了22.6%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 镁及镁合金的改性

1.3 镁基层状复合材料的制备

1.4 爆炸焊接的发展与现状

1.5 复合材料连接界面的研究现状

1.6 爆炸焊接复合板连接界面的关键问题

1.7 本文研究内容及技术路线

参考文献

第二章 铝/镁合金爆炸焊接建模及焊接窗口确定

2.1 引言

2.2 试验材料

2.3 爆炸焊接过程

2.4 有限元模型的建立

2.5 爆炸焊接窗口

2.6 本章小结

参考文献

第三章 连接界面波形的形成机理

3.1 引言

3.2 界面形貌的影响因素

3.3 接合界面的典型形貌

3.4 波形界面的形成机理

3.5 波形界面的影响因素

3.6 本章小结

参考文献

第四章 连接界面的接合机制

4.1 引言

4.2 连接界面的扩散行为

4.3 连接界面的塑性变形

4.4 连接界面的熔化层

4.5 连接界面的接合机理

4.6 本章小结

参考文献

第五章 爆炸冲击作用下的组织特征

5.1 引言

5.2漩涡结构及局部熔化区组织、成分分析

5.3 铝合金侧组织特征

5.4 镁合金侧组织特征

5.5 本章小结

参考文献

第六章 绝热剪切带的形成机制

6.1 引言

6.2 绝热剪切带的组织特征

6.3 绝热剪切带的形成过程

6.4 绝热剪切带的影响因素

6.5 绝热剪切带的微纳力学行为

6.6 本章小结

参考文献

第七章 连接界面的组织特征及力学行为

7.1 引言

7.2 爆炸态复合板连接界面的接合强度

7.3 退火态复合板连接界面及组织特征

7.4 退火态复合板的力学性能

7.5 本章小结

参考文献

第八章 结论和展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果及参与科研项目情况

论文的独创性说明及改进建议