AlSi合金中間層對鋁/鎂擴散連接界面組織性能的影響

劉 寧，劉燦春，付 瑩，殷福星，梁春永

(1. 河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)(2. 渤海大學(xué)工學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

1 前 言

進入21世紀(jì)以來，世界能源危機、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題日益嚴(yán)重，汽車尾氣的排放已經(jīng)給人類的生活帶來了重要的負(fù)面影響。鎂合金作為新型綠色環(huán)保工程材料，具有重量輕、比強度高、比剛度高等優(yōu)點，在汽車輕量化和節(jié)能減排等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但是，鎂合金耐腐蝕性差是制約其應(yīng)用的主要因素。鋁合金是工業(yè)中使用最廣泛的綠色結(jié)構(gòu)材料之一，具有較低的密度、良好的成型性能和高的耐蝕性等特點。因此，將鋁和鎂連接形成復(fù)合材料，則能充分發(fā)揮鋁鎂各自的優(yōu)勢，具有重要的實際意義[2-4]。

目前，Al/Mg異種金屬的連接采用的方法主要是軋制復(fù)合法和擴散連接法。真空擴散連接是在高溫和一定壓力作用下，通過元素的相互擴散作用而實現(xiàn)連接。擴散連接能夠有效避免熔焊時裂紋、變形、偏析等缺陷的影響，從而獲得結(jié)合良好的界面。但是由于高溫擴散時Al，Mg異種金屬在界面處易形成高硬度的脆性中間相化合物，從而降低了界面結(jié)合強度和復(fù)合材料性能。因此，本研究嘗試通過添加Al和Al-10Si合金混合粉末作為中間層的方法，改變Al，Mg異種金屬擴散連接時的界面結(jié)合狀態(tài)，從而提高結(jié)合性能，為獲得界面結(jié)合良好的Al/Mg復(fù)層材料探索新的途徑并提供相應(yīng)的理論和實驗依據(jù)。

2 實 驗

2.1 實驗材料

實驗的基體材料為工業(yè)純鋁(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%)和工業(yè)純鎂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)，中間層材料為AlSi合金粉末(Al和Si原子比為9∶1)和高純Al粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)。

2.2 實驗方法

采用線切割方式從工業(yè)純鋁錠和工業(yè)純鎂錠中分別切下Φ40 mm × 5 mm的圓柱狀塊體試樣，經(jīng)砂紙打磨后在丙酮中超聲震蕩5 min并吹干。在Al, Mg樣品界面處均勻鋪一層厚度約為300 μm的AlSi合金粉末和純Al混合粉末，Al-10Si合金粉和Al粉質(zhì)量比為1∶1。然后將樣品放入真空燒結(jié)爐內(nèi)，并施加50 MPa的壓力壓實樣品。加熱前對爐內(nèi)進行抽真空處理，當(dāng)真空度小于1 Pa后，以20 ℃/min 的速率升溫至450 ℃，保溫1 h后隨爐冷卻。當(dāng)爐內(nèi)溫度降至200 ℃后，將試樣取出空冷。

2.3 檢測分析

采用JSM-7100F型掃描電鏡(SEM)對試樣界面區(qū)域進行顯微組織觀察；采用JXA-8530F型電子探針(EPMA)對界面區(qū)域元素進行分析；采用HMV-2T顯微硬度儀對界面區(qū)域的硬度進行測量，實驗載荷為10 g、保壓時間為15 s，每個區(qū)域測量3個點取平均值作為該區(qū)域的硬度值；采用島津AGS-X電子萬能試驗機測量樣品在常溫下界面結(jié)合強度，拉伸速率為1 mm/min；采用SEM和D8 DISCOVER-X射線衍射儀(XRD)對斷口的形貌和物相進行檢測分析。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 微觀組織與成分分布

圖1為擴散加熱溫度450 ℃、保溫1 h，中間連接區(qū)域粉末為Al粉與Al-10Si粉按質(zhì)量比1∶1混合的界面區(qū)域SEM照片、線掃描分析圖譜及EDS選點位置。從圖1a中可以看出，鋁鎂之間實現(xiàn)了完好結(jié)合，界面區(qū)域沒有觀察到明顯裂紋；同時在界面處形成厚度約為520 μm的反應(yīng)層，根據(jù)微觀形貌的不同可將反應(yīng)層分為4層，從Al側(cè)向Mg側(cè)依次標(biāo)記為Ⅰ層、Ⅱ?qū)?、Ⅲ層和Ⅳ層。圖1b～1d分別為圖1a中界面位置(A區(qū)域)、Ⅲ層(B區(qū)域)和Ⅳ層(C區(qū)域)的高放大倍率SEM照片，可以觀察到，反應(yīng)層Ⅲ的微觀組織比反應(yīng)層Ⅳ的細(xì)小，且在結(jié)合處形成明顯的界面。根據(jù)Al-Mg二元合金相圖，當(dāng)爐膛內(nèi)的溫度達(dá)到437 ℃時，中間層粉末中的Al會與鎂基體中的Mg發(fā)生共晶反應(yīng)，從而使中間層粉末呈現(xiàn)液態(tài)。另外，由于界面區(qū)域存在元素的濃度梯度，發(fā)生了元素的相互擴散。線掃描結(jié)果進一步證明，在界面區(qū)域Al和Mg發(fā)生了明顯擴散，Al和Mg元素含量均有一個明顯的漸變過程，從Mg側(cè)到Al側(cè)基體，Mg的含量逐漸降低，而Al呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。在冷卻過程中，隨著溫度的不斷降低，生成不同的化合物層。同時，雖然反應(yīng)層Ⅲ與Ⅳ中Al，Mg含量沒有明顯變化，但由于Si元素的存在，導(dǎo)致其微觀組織發(fā)生了改變。

圖1 試樣界面區(qū)域SEM照片及線掃描分析結(jié)果(a)，區(qū)域A(b), 區(qū)域B(c) 和區(qū)域C(d)的局部放大SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of the interface of the sample and line scanning result (a), region A (b), region B (c) and region C (d) in Fig.1a

表1為圖1中界面不同位置處的EDS分析結(jié)果。由表1可知，位置1(Ⅰ層)Al和Mg的原子百分比分別為62.29%和37.71%，原子比接近3∶2；位置2(Ⅱ?qū)?Al和Mg的原子百分比分別為46.26%和53.74%，原子比接近12∶17。結(jié)合Al-Mg二元合金相圖[5]，可以認(rèn)為Ⅰ層和Ⅱ?qū)拥奈锵喾謩e為Al3Mg2和Al12Mg17。在靠近Mg側(cè)基體的4位置(Ⅳ層)中，Al和Mg原子比大于12∶17，可認(rèn)為該位置是Al12Mg17+ Mg的共晶組織；3位置處(Ⅲ層)Al，Mg，Si元素的原子百分?jǐn)?shù)分別為12.4%，56.9%和30.7%，結(jié)合Al-Mg-Si三元合金相圖，可認(rèn)為其為富Si的共晶組織。

表1 Al/Mg擴散連接界面EDS分析結(jié)果

圖2a為界面區(qū)域背散射電子成像照片，圖2b～2d分別為該區(qū)域內(nèi)Al，Mg，Si元素EDS面掃描分析結(jié)果。由圖可見，界面區(qū)域根據(jù)成分分布的不同可分為4層，左側(cè)為Al基體，右側(cè)為Mg基體，在界面區(qū)域Al和Mg元素呈現(xiàn)明顯的梯度分布，在每一層內(nèi)各元素呈現(xiàn)均勻分布。Si元素僅分布在Ⅲ層。靠近Al側(cè)的Al3Mg2層厚度約為70 μm，Al12Mg17層、富硅共晶層和Al12Mg17+Mg共晶層厚度分別為15, 350和120 μm。

圖2 界面EPMA背散射照片(a)，Al元素面分布(b)，Mg元素面分布(c)及Si元素面分布(d)Fig.2 The SEM image (a), Al atom (b), Mg atom (c), and Si atom (d) distributions of the interfacial area

3.2 力學(xué)性能

界面區(qū)域的顯微硬度(HV)測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，鋁鎂兩側(cè)基體的平均硬度分別為242和478 MPa，界面層硬度最高值位于靠近鋁基體一側(cè)的Al3Mg2層(Ⅰ層)，其值為2520 MPa，而中間化合物層Al12Mg17(Ⅱ?qū)?和Al12Mg17+ Mg共晶組織(Ⅳ層)的平均硬度分別為2235和2017 MPa。另外，富硅相共晶層(Ⅲ層)平均硬度值為2150 MPa，略低于Ⅳ層硬度值。中間擴散區(qū)域的硬度值明顯高于兩側(cè)基體也進一步證明了界面處高硬度、高脆性的Al-Mg金屬間化合物層的生成。當(dāng)Al/Mg復(fù)合材料受到載荷作用時，中間化合物層將優(yōu)先作為裂紋源[6]。

圖3 鋁/鎂復(fù)合材料界面區(qū)域顯微硬度Fig.3 Microhardness of diffusion-bonded Al/Mg joints

為了研究界面結(jié)合強度，對制備的Al/Mg復(fù)合材料進行室溫剪切強度測試。剪切-拉伸試樣如圖4a所示，試樣尺寸示意圖和剪切拉伸結(jié)果如圖4b所示。結(jié)果顯示，加入AlSi合金中間層的Al/Mg復(fù)合材料界面剪切強度值最高值為23 MPa。圖5為剪切強度實驗后Al，Mg兩側(cè)斷口的掃描照片，Al側(cè)斷口呈現(xiàn)明顯河流花樣，斷口表面有許多連續(xù)微小平面，斷裂時伴隨發(fā)生的宏觀塑性變形極?。籑g側(cè)斷口表面有許多撕裂棱和解理臺階，并伴隨有微裂紋產(chǎn)生，裂紋增殖方向與解理臺階方向一致，斷面上沒有發(fā)現(xiàn)韌性斷裂的韌窩出現(xiàn)，說明Al/Mg復(fù)合材料在拉伸過程發(fā)生了脆性斷裂。圖6為斷口表面XRD物相分析結(jié)果，Al側(cè)斷口存在Al3Mg2、Al相，Mg側(cè)斷口存在Al3Mg2、Mg相。兩側(cè)斷口表面都存在Al3Mg2，說明斷裂位置位于界面區(qū)域的脆性反應(yīng)層Al3Mg2層，這主要是因為高硬度、高脆性的金屬間化合物的存在。

圖4 鋁/鎂復(fù)合材料拉伸剪切試樣(a)，拉伸剪切示意圖及拉伸剪切強度(b)Fig.4 Tensile-shear test samples (a) and tensile-shear strength (b) of the Al/Mg composite with the interlayer

圖5 鋁/鎂復(fù)合材料剪切拉伸試樣斷面Al側(cè)(a)及Mg側(cè)(b)SEM照片F(xiàn)ig.5 Fracture surfaces of Al/Mg joint with the interlayer at Al side (a) and Mg side (b)

圖6 鋁/鎂復(fù)合材料剪切拉伸試樣斷面Al側(cè)(a)及Mg側(cè)(b)XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of fracture surfaces of Al/Mg joints at Al side (a) and Mg side (b)

4 結(jié) 論

(1)用質(zhì)量比1∶1的Al粉和Al-10Si粉混合作為中間層，在熱壓溫度450 ℃下保溫1 h，成功實現(xiàn)了純Al和純Mg的連接。

(2)界面區(qū)域由Al3Mg2層，Al12Mg17層，富Si共晶層和Al12Mg17+δ-Mg共晶層共4層組成，反應(yīng)層總厚度約520 μm。顯微硬度結(jié)果表明，界面區(qū)域硬度值均高于兩側(cè)基體硬度，且硬度最高值位于Al3Mg2層。

(3)剪切強度測試結(jié)果顯示，結(jié)合強度最高值為23 MPa。斷口分析結(jié)果表明，剪切過程中在界面發(fā)生了脆性斷裂，斷裂位置位于Al3Mg2化合物層。