铝镁异种金属液固复合铸造及界面组织性能研究

摘要

异种金属的液固复合铸造连接件的优点是，能够最大限度的利用各自的性能优势进行分层复合而形成的双金属材料。这类材料能够起到“物尽其用”的效果，又可获得较高的经济适用价值，广泛应用于航空、航天、船舶等工业领域。铝镁双金属复合铸件能够将镁合金的高比强度、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度与铝的良好的机械强度、良好的耐蚀性能相结合起来。因此铝镁异种金属材料的研发成为各国开发利用的新型材料。
　　然而镁铝双金属液固复合的难点是，如何获得能够满足使用性能要求的冶金结合界面。主要表现在一下两个方面1）镁、铝都是极易氧化的金属，在其表面会有一层致密的氧化膜阻止两者进行冶金结合2）由于两种材料的相互溶解度很小，在冶金反应区域形成大量的Al-Mg金属间化合物，从而使连接界面变脆，很难获得较高的力学性能。
　　针对上述难点和问题，本文主要开展了以下工作:Mg/Al液固复合界面的润湿性研究和Mg/Al液固复合界面凝固脆性相组织的控制。要想获得良好的Mg/Al液固复合的润湿性，必须要去除固相铝合金衬底表面致密的氧化膜。本文采用以下两种方式去除或破坏铝合金表面的氧化膜，即“锌酸盐”工艺和微合金化破氧化膜法。1）“锌酸盐”工艺，此工艺能在去除固相铝合金表面氧化膜的同时，在铝衬底表面置换沉积一层Zn层，这可以避免铝衬底的二次氧化。2）微合金化破坏氧化膜法，本文对Al-1％Sn，Al-0.8％Ga合金进行电解抛光和阳极氧化处理，处理后的铝合金衬底表面的氧化膜发生破裂呈现出很多细微孔洞，最终可导致氧化膜的破裂和分离。Mg/Al异种金属的焊接在其界面处都不可避免脆性相的形成，本文采用以下两种方式进行控制或减少脆性相的形成。1）采用镀Ni中间层阻止Mg-Al脆性相的形成，即在固相合金表面镀一层5-6μm的Ni层，其作为中间屏障阻止Mg，Al元素间的相互扩散，从而减少脆性相的形成。2）采用含Si量较高的铝合金与液相镁合金进行液固复合，在界面组织中会自发形成一层连续的Mg2Si层，其依附在固相铝合金衬底上，犹如一条屏障阻止或减少Mg，Al元素的扩散。
　　研究表明:经过锌酸盐工艺能够有效去除固相铝合金衬底表面致密的氧化膜，沉积的Zn层能够有效保护固相铝合金衬底避免其二次氧化，提高与液相Mg的润湿性。研究表明，经过“电解抛光+阳极氧化”处理后的Al-1％Sn，Al-0.8％Ga合金，其表面致密的氧化膜发生破裂，使得在膜/合金交界处形成细微的孔洞，孔洞扩展并和阳极氧化膜中扩展的“蜂窝”相连，最终导致氧化膜的破裂和分离，从而实现与液相Mg之间的冶金结合。
　　而Ni作为中间层的AM60/6061双金属界面组织表明:在一定的复合参数下，Ni层能够有效阻止Al-Mg脆性相的形成，取而代之的是Mg-Ni、Al-Ni金属间化合物。界面处的相为Mg17Al12和δ(Mg)的共晶组织，Mg2Ni和Al3Ni。
　　在AM60/A380双金属界面冶金区域，Si元素优先Al元素和液相Mg反应形成Mg2Si，析出的Mg2Si相与固相Al合金存在晶面共格关系，这使得析出的Mg2Si相沿着固体Al-Si合金表面形成一层连续的Mg2Si“阻挡层”，阻碍固相Al中的Al向Mg液中扩散，减少界面处Mg液中的Al含量，从而抑制界面处Mg液凝固后金属间化合物脆性过渡层组织的产生。然而，连续的Mg2Si组织降低了Mg-Al双金属铸件的力学性能，因此通过固溶处理球化带状的Mg2Si，球化后的Mg2Si组织在双金属界面起到固溶强化的作用，从而提高双金属的力学性能达到74MPa。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 铝合金与镁合金异种金属连接的难点

1．2．1 异种金属焊接的特点

1．2．2 铝镁异种金属焊接难点

1．3 铝合金与镁合金焊接研究现状

1．3．1 异种金属常用的焊接方法

1．3．2 铝镁异种金属的常规焊接方法研究现状

1．4 本文研究的主要内容

参考文献

第2章 实验设备材料及研究方法

2．1 实验设备

2．1．1 设备简介

2．1．2 实验设备原理

2．1．3．实验操作流程简述

2．2 实验材料

2．3 Al-Ga合金的制备

2．3．1 合金铸锭的配料计算

2．3．2 合金熔炼工艺

2．3．3 热处理

2．3．4 变形处理

2．4 固相铝合金的表面处理方法

2．4．1 锌酸盐工艺

2．4．2 微合金化破膜方法

2．5 研究方法

2．5．1 显微结构分析

2．5．2 物相分析

2．5．3 力学性能测试

参考文献

第3章 Mg／Al-Ga液固复合工艺及界面组织性能研究

3．1 引言

3．2 选用镓作为添加元素的原因

3．3 电解抛光工艺

3．3．1 电解抛光装置

3．3．2 电解抛光原理

3．3．3 电解抛光步骤

3．4 阳极氧化工艺

3．4．1 阳极氧化的装置

3．4．2 阳极氧化流程

3．4．3 阳极氧化原理

3．5 破膜后铝合金表面形貌分析及机理研究

3．6 Mg／Al-Ga液固复合工艺及组织分析

3．6．1 润湿接触模型

3．6．2 衬体表面预热温度确定

3．6．3 界面分析

3．7 Mg／Al-Ga双金属力学性能分析

3．7．1 显微硬度

3．7．2 剪切强度

3．7．3 断面分析

3．8 本章小结

参考文献

第4章 Mg／Al-Sn液固复合工艺及界面组织性能研究

4．1 选用Sn作为添加元素的原因

4．2 Al-Sn铝合金的表面处理及形貌分析

4．3 Mg／Al-Sn液固复合工艺参数的确定

4．4 润湿性对比实验

4．5 AM60／Al-Sn双金属界面显微组织研究

4．6 Mg／Al-Sn双金属力学性能测试

4．6．1 界面区域显微硬度分析

4．6．2 Mg／Al-Sn扩散连接界面XRD物相分析

4．6．3 界面剪切强度测试

4．6．4 断面形貌分析

4．7 本章小结

参考文献

第5章 镀层Ni对AM60／6061双金属脆性相的抑制及组织性能分析

5．1 6061铝合金表面处理工艺

5．1．1 浸锌预处理工艺

5．1．2 化学镀镍

5．1．3 化学镀镍溶液

5．2 镀镍层的测定

5．2．1 外观质量检测

5．2．2 镀层厚度测定

5．2．3 镀层结合力测定

5．3 浸锌工艺条件对锌层及镀镍层质量的影响

5．3．1 一次浸锌时间的影响

5．3．2 二次浸锌浸锌时间的影响

5．3．3 浸锌液温度对浸锌层及镀镍层的影响

5．4 6061铝合金镀层分析

5．4．1 镀层形貌分析

5．4．2 润湿性研究

5．5 AM60／6061液固复合工艺及组织分析

5．5．1 实验材料

5．5．2 衬体与表面温度关系

5．5．3 显微组织分析

5．6 AM60／6061双金属材料力学分析

5．6．1 显微硬度

5．6．2 剪切强度

5．6．3 断面分析

5．7 本章小结

参考文献

第6章 电镀锌对AM60／A380液固扩散连接界面的影响

6．1 试验方法

6．1．1 试验材料

6．1．2 表面处理工艺

6．1．3 镀层的选择

6．1．4 测试方法

6．2 A380铝合金表面预处理工艺

6．2．1 锌酸盐工艺

6．2．2 浸锌处理后样品表面的XPS分析

6．2．3 电镀锌工艺

6．2．4 电镀锌层形貌分析

6．2．5 润湿性研究

6．3 界面显微组织分析

6．3．1 不同预热时间对界面组织的影响

6．3．2 界面显微组织形貌分析

6．3．3 连接界面过渡区元素成分分析

6．4 AM60／A380双金属的力学性能测试

6．4．1 硬度分析

6．4．2 剪切强度测试

6．4．3 断口形貌分析

6．5 AM60／A380双金属热处理工艺

6．5．1 Al-Si相图和Mg-Si相图分析

6．5．2 Mg2Si的结构及形成生长过程

6．5．3 Mg2Si带层组织的形成机理

6．5．4 固溶处理过程中Mg2Si相球状化机理

6．5．5 热处理前后AM60／A380双金属力学性能的对比

6．6 本章小结

参考文献

第7章 锡镀层对AM60／A380液固扩散连接界面的影响

7．1 实验材料和方法

7．1．1 实验材料

7．1．2 镀层及连接方法

7．1．3 镁铝双金属界面性能及显微组织分析

7．2 A380铝合金电镀锡实验

7．2．1 镀层金属的选择

7．2．2 锌酸盐+预镀中间层工艺

7．2．3 电镀锡工艺

7．2．4 锡镀层结合力测试

7．3 锡镀层的作用分析

7．3．1 润湿性对比试验

7．3．2 不同镀层的镁铝双金属界面对比

7．4 AM60／A380双金属界面显微组织分析

7．4．1 界面区域显微组织形貌分析

7．4．2 不同预热温度下的界面组织

7．4．3 界面过渡区的XRD相结构

7．5 AM60／A380双金属力学性能测试

7．5．1 显微硬度分析

7．5．2 剪切强度测试

7．5．3 断面形貌分析

7．6 本章小结

参考文献

第8章 结论

攻读博士学位期间的学术成果