電磁場對鋁合金復層材料界面形貌的影響＊

李繼展，孫紅英，伍超群，劉英坤，王彩華

廣東省工業(yè)技術研究院（廣東有色金屬研究院）分析測試中心，廣東 廣州 510650

每種材料都有其優(yōu)缺點，為滿足我國國防、能源、汽車及裝備制造業(yè)對高性能材料的需求，將不同材料結合在一起，使其具備更優(yōu)異性能的研究越來越受到人們的重視.復層材料就是利用復合技術，將兩種或兩種以上具有不同物理、化學、力學性能的金屬，在界面上實現(xiàn)牢固結合而制備的一種新型復合材料.該材料在保持母材金屬性能的同時兼具其他金屬特性，彌補相互之間的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優(yōu)越性［1－3］.制造復層材料的方法主要有爆炸復合、軋制復合、離心鑄造、熱浸鍍、涂層技術及鑄造復合等.鑄造復合是二十世紀80年代興起的一種復層材料制備技術，大大地簡化了復層材料的制備工序，降低了生產(chǎn)成本，其應用前景廣泛備受關注［3－9］.國外以美國瓦格斯塔夫公司開發(fā)的 Novelis FusionTM法為代表［3］，國內(nèi)有北京科技大學開發(fā)的雙結晶器連鑄法和充芯連鑄法［8］、華南理工大學研制的雙流澆注半連續(xù)鑄造法［9］及大連理工大學提出的電磁控制雙金屬連鑄法等［10］.

鑄造法制造雙金復層材料，主要問題在于如何實現(xiàn)界面良好的冶金結合，因而研究界面結合機理及其影響界面結合強度的因素，對于成功制備雙金屬復層材料有著重要的意義.本文以3003和4004鋁合金為實驗材料，采用一種利用脈沖電磁場的方法制備雙金屬復層材料，研究脈沖電磁場對3003／4004（外層為3003，內(nèi)層為4004）及4004／3003（外層為4004，內(nèi)層為3003）復層鑄錠結合界面的影響，探討脈沖電磁場在界面結合過程中的作用機制.

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為3003和4004鋁合金，其成分列于表1.

表1 合金的化學成分Table 1 Chemical composition of alloy

實驗分為兩組，首先將熔融3003鋁合金液澆注到石墨鑄型中，澆注溫度為740℃，10s后將石墨鑄型中未凝固的3003金屬液傾倒出來，從而獲得壁厚約為5mm的3003金屬凝殼，而后迅速將3003金屬凝殼放入脈沖線圈中，然后將630℃的4004鋁合金液澆注到該凝殼中，同時施加脈沖電磁場，直至3003金屬凝殼中的4004金屬液完全凝固，最終獲得3003／4004合金試樣.作為對比，在相同情況下制得未施加脈沖電磁場的試樣.另外一組實驗，是將熔點較低的4004鋁合金作為外層金屬，而把高熔點的3003鋁合金作為內(nèi)層金屬，4004合金和3003合金的澆注溫度分別為670℃和710℃，實驗過程如前所述，最終獲得4004／3003合金試樣.實驗最終獲得的試樣尺寸均為Φ45mm×75mm，施加的脈沖電磁場參數(shù)如表2所示.

將所得試樣從距底部15mm的位置處沿橫截面拋開，磨制、拋光，用5%的HF酸腐蝕后觀察其金相組織及掃描電鏡組織.實驗裝置主要包括WWL－PS直流穩(wěn)壓穩(wěn)流開關電源、磁場線圈，Φ45mm×75mm的石墨鑄型.

表2 實驗脈沖電磁場參數(shù)Table 2 Pulse magnetic parameters of experiment

2 結果及討論

2.1 復層鑄錠的宏觀凝固組織

圖1為施加電磁場試樣橫截面的宏觀組織圖.從圖1可見，3003／4004復層材料的復層界面為一條清晰的線（圖1（a1）和圖1（a2）），而4004／3003復層材料的復層界面為一個具有一定寬度的界面區(qū)域（圖1（b1）和圖1（b2））.

圖1 施加電磁場的鑄坯的宏觀組織圖（a1）3003／4004合金；（a2）3003／4004合金界面放大；（b1）4004／3003合金；（b2）4004／3003合金界面放大Fig.1 Ingot Morphology morphology structure underout the pulse magnetic field（a1）3003／4004alloy；（a2）Magnified interface of 3003／4004alloy；（b1）4004／3003alloy；（b2）Magnified interface of 4004／3003alloy

2.2 電磁場對3003／4004復層鑄錠凝固組織的影響

4004金屬熔體在3003金屬殼內(nèi)自然凝固，4004金屬液凝固所釋放的潛熱使3003金屬凝殼層表面有一定程度的融化，形成具有固態(tài)枝晶網(wǎng)絡的半固態(tài)層，從而實現(xiàn)二種鋁合金的冶金結合.

圖2為3003／4004復層鑄坯界面形貌金相照片.從圖2可見，施加電磁場前后3003／4004復層材料界面形貌發(fā)生明顯地變化.未施電磁場時，首先亞共晶成分的4004金屬液在3003金屬殼內(nèi)壁上大量非勻質(zhì)形核析出先共晶α－Al層，同時向周圍熔體中排入大量Si溶質(zhì)，使其達到共晶成份，發(fā)生共晶反應，大量共晶Si又在先共晶α－Al層上非勻質(zhì)形核析出，最終使共晶Si在界面上呈針片狀大量平行聚集分布，從而對界面產(chǎn)生強烈割裂作用，嚴重影響了界面的結合強度（圖2（a））.施加電磁場后，在脈沖電磁場產(chǎn)生的強烈脈沖振蕩沖擊作用下，使金屬液中的溫度場及溶質(zhì)場更加均勻化，Si溶質(zhì)無法在先共晶α－Al層附近富集，4004金屬液的溫度趨向于整體同時降低至液相線以下，而發(fā)生等軸晶凝固；同時在強烈的脈沖振蕩沖擊作用下，還會使在先共晶α－Al層上非勻質(zhì)形核的大量共晶Si晶核很難附著在其上生長，而被沖擊游離到熔體中，最終使界面處共晶Si呈短棒狀或塊狀分布，從而強化了界面的結合強度（圖2（b））.

圖2 3003／4004復層鑄坯界面形貌金相照片（a）未施加電磁場；（b）施加50V，200A電磁場Fig.2 Metallurgical images of 3003／4004cladding ingots（a）without the pulse magnetic field；（b）with the 50V，200Apulse magnetic field

2.3 電磁場對4004／3003復層鑄錠凝固組織的影響

圖3 及圖4分別為4004／3003復層材料界面形貌掃描電鏡照片和金相照片.從圖3和圖4可見，施加電磁場前后4004／3003復層界面區(qū)域發(fā)生了明顯變化.未施加電磁場時，當向低熔點的4004鋁合金外殼中澆入高熔點的3003鋁合金時，首先3003金屬液在4004金屬殼內(nèi)層大量非勻質(zhì)形核，并以柱狀方式向3003金屬液的內(nèi)部生長，生長一段距離且形成3003薄層殼后，3003金屬液的溫度降低到液相線以下，剩余的3003金屬液以等軸晶方式凝固長大，最終完全凝固.由于3003鋁合金熔點遠遠高于4004鋁合金熔點，在4004金屬殼一側將發(fā)生部分重熔，隨著溫度的降低這部分重熔的4004金屬液又重新凝固，最終在兩合金交界處形成一個由α－Al組成的界面區(qū)域，并且在界面區(qū)域內(nèi)兩種合金原始交界線上形成一條晶界線，晶界線上富集了大量的金屬間化合物以及雜質(zhì)，使界面的結合強度大大降低（圖3（a）和圖4（a））.施加脈沖電磁場后，在脈沖電磁場周期性脈沖振蕩作用下，界面區(qū)域組織凝固方式發(fā)生了變化，由于3003金屬液在4004金屬殼上無法迅速形核生長，而是與重熔的4004金屬液混合，隨后α－Al以柱狀方式從4004金屬殼的一側向3003金屬液的內(nèi)部生長，當溫度降低至液相線以下后，3003金屬液以等軸晶方式凝固長大，最終使界面區(qū)域內(nèi)的晶界線被破除，界面區(qū)域組織變?yōu)樵讦粒瑼l基體上大量彌散分布的金屬間化合物及雜質(zhì)強化相，這有助于提高界面的結合強度（圖3（b）和圖4（b））.

圖3 4004／3003復層材料界面形貌掃描電鏡照片（a）未施加電磁場；（b）施加50V，200A電磁場Fig.3 SEM images of 4004／3003cladding ingots near the interface（a）without the magnetic field；（b）with the 50V，200Amagnetic field

圖4 4004／3003復層材料界面形貌金相照片（a）未施加電磁場；（b）施加50V，200A電磁場Fig.4 Metallurgical images of 4004／3003caldding ingots near the interface（a）without the magnetic field；（b）with the 50V，200Amagnetic field

3 結 論

施加脈沖電磁場能夠明顯地改善3003和4004鋁合金復層材料的界面形貌.對于3003／4004合金復層材料，經(jīng)電磁場處理后，共晶Si在界面上的分布形態(tài)由呈針片狀平行界面連續(xù)聚集分布變?yōu)槌识贪魻罨驂K狀不連續(xù)彌散分布，強化了界面結合強度；對于4004／3003合金復層材料，經(jīng)電磁場處理后，界面區(qū)域內(nèi)聚集大量金屬間化合物及雜質(zhì)的晶界線被破除，金屬間化合物及雜質(zhì)強化相變?yōu)樵谡麄€界面區(qū)域內(nèi)彌散分布，界面結合強度同樣被加強.

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