基于液/半固態(tài)鑄造復(fù)合的5083/AZ31B層狀復(fù)合材料界面研究

劉 力，朱永長，張圳炫，王 迪

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

汽車、航空航天、家用3C等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笾鹉晏岣?，鎂合金對比其他材料具有密度小、比強度高、比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好以及阻尼減震性能和降噪效果優(yōu)良等優(yōu)點，因此鎂是其中的首選材料[1]。但鎂合金的耐蝕性低、廢品率高等原因，使得鎂合金的應(yīng)用前景受到了限制[2，3]。為了改善鎂合金的耐蝕性，拓展其應(yīng)用范圍，制備出了鋁/鎂復(fù)合材料。鋁/鎂復(fù)合材料不僅具備鋁合金的高耐腐蝕性能和優(yōu)良的加工性能，也具備鎂合金的質(zhì)輕、阻尼減震等優(yōu)點，其結(jié)合了異種合金高強度、耐腐蝕和鑄造性能優(yōu)異等優(yōu)點，因此對于耐蝕鋁合金/變形鎂合金的優(yōu)質(zhì)、高效連接的研究具有極高的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對此做過研究，通常采用擴散連接[5]，攪拌摩擦焊[6]，軋制[7]和爆炸焊[8]等方法來制備鋁/鎂復(fù)合材料。軋制復(fù)合方法是通過強大的機械力使得接觸面破裂從而復(fù)合的方法，但仍屬于機械結(jié)合的范疇無法實現(xiàn)冶金結(jié)合[9]。焊接方法由于對板材尺寸有要求，且鑄造氣孔較多，顆粒分布不均勻，易偏聚，因此無法實現(xiàn)大面積的冶金結(jié)合[10]。爆炸焊接法因為噪音較大和生產(chǎn)過程較為危險等原因無法成為最佳復(fù)合方法[11]。相對于上述方法而言，鑄造復(fù)合法具有能耗低、成本低、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，可實現(xiàn)兩種金屬合金間的冶金結(jié)合[12]。

本文以鑄態(tài)5083鋁合金和鑄態(tài)AZ31B鎂合金作為原材料，采用液/半固態(tài)鑄造復(fù)合方法，制備出5083/AZ31B層狀復(fù)合材料，研究了復(fù)層材料復(fù)合界面的微觀組織和顯微硬度。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

以鑄態(tài)AZ31B和5083為原料，其成分如表1.

表1 AZ31B和5083的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 激冷材料條件下5083/AZ31B層狀材料澆注工藝示意圖

1.2 試驗方法

采用2臺SG2-5-10型井式電阻爐，同時加熱到720℃熔煉5083鋁合金和AZ31B鎂合金。熔融的金屬精煉除氣后靜置保溫10 min，待溫度降至680℃后除渣并澆注，澆注溫度為670℃.澆注工藝如圖1所示。采用液/半固態(tài)鑄造復(fù)合工藝，首先為了保證先澆注的5083鋁合金在縱向存在較大的溫度梯度，控制金屬液的凝固方式，需要在鑄型型腔底部預(yù)先放置激冷材料對鋁合金進(jìn)行激冷。鋁合金液沿澆口杯Ⅰ澆入鑄型型腔，澆注后的鋁合金液在激冷作用下，垂直方向產(chǎn)生較大的溫度梯度，因此5083合金自下而上逐層凝固。當(dāng)鋁合金下部已經(jīng)凝固時，上表面仍可以存在半固態(tài)區(qū)。從觀察口伸入測溫槍，測試溫度達(dá)到固相線溫度574℃左右時，其凝固末期上表層形成半固態(tài)區(qū)，然后沿澆口杯Ⅱ澆注AZ31B鎂合金液，AZ31B液相與5083合金半固態(tài)區(qū)內(nèi)液相直接接觸，從而使AZ31B與5083冶金結(jié)合在一起。

對制得的5083/AZ31B層狀復(fù)合板進(jìn)行線切割截取金相試樣，金相試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，將試樣截面選用型號為：400#，600#，800#，1 000#，1 200#，1 500# 和 2 000# 的砂紙依次打磨后，采用粒度為0.5 nm的金剛石拋光膏拋光至鏡面，在酒精中超聲清洗后用自制的金相腐蝕液蝕刻，再經(jīng)過酒精沖洗、超聲波清洗后在Olympus GX71型金相顯微鏡上觀察組織。使用D8 ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）分析物相組成，采用銅靶，Kα射線，加速電壓40 kV，加速電流40 mA.使用HXD-1000TMC型顯微硬度儀測量硬度，載荷為100 gf，保荷時間 10 s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合界面微觀組織

圖2所示為5083/AZ31B層狀復(fù)合板界面區(qū)域的顯微組織照片。圖2a）中可以看出層狀結(jié)構(gòu)的分布較為明顯，顏色較暗部分為AZ31B鎂合金基體，顏色較亮部分為5083鋁合金基體，而且鎂基體與鋁基體之間出現(xiàn)有別于二者的中間過渡區(qū)域。圖2b）中可以看到中間區(qū)域的微觀形貌與鋁基體以及鎂基體均有所不同，初步判斷該區(qū)域的物相不同于二者，形成原因為鎂合金與鋁合金在澆注過程中，元素相互擴散結(jié)合形成的反應(yīng)擴散層。圖2c）為鎂合金基體的顯微組織形貌，呈片狀結(jié)構(gòu)，圖2d）中鋁合金晶粒表現(xiàn)為均勻細(xì)小的圓棒狀。觀察反應(yīng)擴散層分別與鎂基體、鋁基體的擴散結(jié)合處，層界面的分界線非常明顯，初步得出結(jié)論，預(yù)先澆注的5083鋁合金在激冷作用下，由于過冷度較大，晶粒來不及長大，形成均勻細(xì)小的棒狀結(jié)構(gòu)。中間區(qū)域是由于半固態(tài)的鋁合金重熔，元素之間相互擴散產(chǎn)生了大量細(xì)小而彌散的金屬間化合物而形成，其平均厚度為38 μm.

圖2 5083/AZ31B復(fù)層材料界面顯微組織

2.2 XRD分析

圖3 為5083/AZ31B復(fù)層材料的X射線衍射分析圖譜。復(fù)層材料的界面擴散區(qū)域主要形成了兩種金屬間化合物，Mg2Al3和 Mg17Al12.圖中 2θ值為37.1°、58.88°、64.04°的衍射峰可標(biāo)定為Mg2Al3相。除與Mg2Al3相對應(yīng)的衍射峰外，圖中2θ值為47.94°、68.38°、72.24°位置出現(xiàn)強度較弱的衍射峰可標(biāo)定為Mg17Al12相，Mg17Al12金屬間化合物是在復(fù)合過程中Al元素在靠近Mg合金一側(cè)伴隨空位或置換擴散機制而形成的。在擴散連接的過程中，A1原子占據(jù)原來Mg元素的點陣結(jié)構(gòu)中的空位或與Mg原子進(jìn)行置換，在連接界面過渡區(qū)靠近液相鎂合金基體一側(cè)很窄的區(qū)域內(nèi)Al原子的濃度較高并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)形成Mg17Al12金屬間化合物。復(fù)合層主要以 α-Al、β-Mg、Mg17Al12和 Mg2Al3組成。由于Si元素添加量較少，大部分以固溶的形式存在于β-Mg基體中，故而未發(fā)現(xiàn)含Si元素的衍射峰。結(jié)果表明試樣在澆注過程中5083與AZ31B之間發(fā)生了元素間的相互擴散，形成了Al-Mg金屬間化合物。

圖3 5083/AZ31B復(fù)層材料擴散層的XRD圖譜

2.3 顯微硬度測試

對界面附近進(jìn)行了顯微硬度測試，由圖4可以看出，隨著距離的增加，層狀復(fù)合材料的硬度先升高再降低。結(jié)合圖3可知，外層為硬度較低的5083鋁合金鑄態(tài)組織，約為44.5 HV.鎂合金液的澆注溫度較高，使本已形成半固態(tài)的鋁合金表層重熔，二者元素之間相互擴散，擴散層位置的Mg2Al3和Mg17Al12等金屬間化合物含量增加，表現(xiàn)在中間區(qū)域反應(yīng)擴散層的顯微硬度值急劇增大，達(dá)到硬度峰值，其顯微硬度值220 HV，鑄態(tài)AZ31B合金基體顯微硬度的平均值為54.2HV.5083/AZ31B材料的復(fù)合界面顯微硬度變化與其組織結(jié)構(gòu)相一致。

3 結(jié)論

1）通過液/半固態(tài)鑄造層狀材料制備工藝，實現(xiàn)金屬間的冶金結(jié)合，制備出了5083/AZ31B層狀復(fù)合材料；

2）AZ31B鎂合金的平均顯微硬度約為54.2HV，5083鋁合金的平均硬度約為44.5HV，擴散層主要由金屬間化合物組成，其硬度最高可達(dá)到220 HV.

圖4 5083/AZ31B層狀材料的顯微硬度隨距離變化的曲線

3）5083/AZ31B層狀復(fù)合材料界面形成反應(yīng)擴散層，擴散層由α-Al固溶體層、元素擴散層（Mg2Al3+Mg17Al12）及β-Mg固溶體層組成，形成了具有多層結(jié)構(gòu)的冶金結(jié)合界面。