电磁场对铝合金复层材料界面形貌的影响.pdf

第９卷第１期２０１５年３月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０ＮＶ０１．９，Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０ｌ５———文章编号：１６７３９９８１（２０１５）０１００３６０５电磁场对铝合金复层材料界面形貌的影响＊李继展，孙红英，伍超群，刘英坤，王彩华广东省工业技术研究院（广东有色金属研究院）分析测试中心，广东广州５１０６５０摘要：研究了电磁场对３００３和４００４铝合金复层材料界面形貌的影响．结果表明，施加电磁场可以明显改变复层材料界面形貌，对于外层为高熔点３００３铝合金，内层为低熔４００４铝合金的３００３／４００４复层铸锭，未经电磁场处理时，其凝固组织中针片状共晶硅在界面处平行聚集分布，对复层界面产生强烈的割裂作用，对界面结合强度产生不利影响．经电磁场处理后，由于金属熔体受到脉冲磁场产生周期性震荡冲击作用，界面处共晶硅的分布变为呈块状或短棒状弥散分布，这种分布状况有利于界面结合强度的提高．对于外层为低熔点４００４铝合金，内层为高熔点３００３铝合金的４００４／３００３复层铸锭，未经电磁场处理时，金属间化合物及杂质在界面区域内的一条晶界线上偏聚，大大降低了界面的结合强度．施加电磁场后，偏聚大量金属间化合物及杂质的晶界线被破除，金属间化合物及杂质强化相在界面区域呈细小颗粒状弥散分布，这种分布状况也有利于界面结合强度的提高．关键词：复层材料；电磁场；界面形貌中图分类号：ＴＧ２４４．１文献标识码：Ａ每种材料都有其优缺点，为满足我国国防、能源、汽车及装备制造业对高性能材料的需求，将不同材料结合在一起，使其具备更优异性能的研究越来越受到人们的重视．复层材料就是利用复合技术，将两种或两种以上具有不同物理、化学、力学性能的金属，在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料．该材料在保持母材金属性能的同时兼具其他金属特性，弥补相互之间的不足，具有单一金属或合金无法比拟的优越性［１。３］．制造复层材料的方法主要有爆炸复合、轧制复合、离心铸造、热浸镀、涂层技术及铸造复合等．铸造复合是二十世纪８０年代兴起的一种复层材料制备技术，大大地简化了复层材料的制备工序，降低了生产成本，其应用前景广泛备受关注【３ｑ］．国外以美国瓦格斯塔夫公司开发的ＮｏｖｅｌｉｓＦｕｓｉｏｎＴＭ法为代表［３］，国内有北京科技大学开发的双结晶器连铸法和充芯连铸法［８］、华南理工大学研制的双流浇注半连续铸造法［９］及大连理工大学提出…的电磁控制双金属连铸法等［１．铸造法制造双金复层材料，主要问题在于如何—收稿日期：２０１４一０８１８＊基金项目：院创新项目（２０１３Ａ００４）作者简介：李继展（１９８７），男，安徽宿州人，助工，硕士实现界面良好的冶金结合，因而研究界面结合机理及其影响界面结合强度的因素，对于成功制备双金属复层材料有着重要的意义．本文以３００３和４００４铝合金为实验材料，采用一种利用脉冲电磁场的方法制备双金属复层材料，研究脉冲电磁场对３００３／４００４（外层为３００３，内层为４００４）及４００４／３００３（外层为４００４，内层为３００３）复层铸锭结合界面的影响，探讨脉冲电磁场在界面结合过程中的作用机制．１实验材料及方法实验所用材料为３００３和４００４铝合金，其成分列于表１．表１合金的化学成分Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｌｌｏｙ材料ＳｉＭｎＭｇＦｅＣｕＺｎＡＩ１．Ｏ～１．５—０．７０．０５～Ｏ．２００．１余量一—１．ｏ～２．００．２５０．２０余量万方数据第９卷第１期李继展，等：电磁场对铝合金复层材料界面形貌的影响３７实验分为两组，首先将熔融３００３铝合金液浇注℃到石墨铸型中，浇注温度为７４０，１０Ｓ后将石墨铸型中未凝固的３００３金属液倾倒出来，从而获得壁厚约为５ｍｍ的３００３金属凝壳，而后迅速将３００３金℃属凝壳放入脉冲线圈中，然后将６３０的４００４铝合金液浇注到该凝壳中，同时施加脉冲电磁场，直至３００３金属凝壳中的４００４金属液完全凝固，最终获得３００３／４００４合金试样．作为对比，在相同情况下制得未施加脉冲电磁场的试样．另外一组实验，是将熔点较低的４００４铝合金作为外层金属，而把高熔点的３００３铝合金作为内层金属，４００４合金和３００３合金℃℃的浇注温度分别为６７０和７１０，实验过程如前所述，最终获得４００４／３００３合金试样．实验最终获得的试样尺寸均为ｅＰ４５ｍｍ×７５ｍｍ，施加的脉冲电磁场参数如表２所示．将所得试样从距底部１５ｍｍ的位置处沿横截面抛开，磨制、抛光，用５％的ＨＦ酸腐蚀后观察其金相组织及扫描电镜组织．实验装置主要包—括ｗｗＬＰＳ直流稳压稳流开关电源、磁场线圈，ｅ９４５ｍｍ×７５ｍｍ的石墨铸型．表２实验脉冲电磁场参数Ｔａｂｌｅ２Ｐｕｌｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ实验参数参数值脉冲输出电流／Ａ脉冲输出电压／Ｖ脉冲电流通断时间／ｓ脉冲电流处理时间／ｓ２００５０通０．２，断０．２４００２结果及讨论２．１复层铸锭的宏观凝固组织图１为施加电磁场试样横截面的宏观组织图．从图１可见，３００３／４００４复层材料的复层界面为一条清晰的线（图１（ａ１）和图１（ａ２）），而４００４／３００３复层材料的复层界面为一个具有一定宽度的界面区域（图１（ｂ１）和图１（ｂ２））．湖‘～ｔ≈’１，’≤！ｔ・。．。‘１’＾蕊＾１５０‘ＬｍＩ．．．．．．．．．．．：．＿Ｊ图１施加电磁场的铸坯的宏观组织图（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．１ＩｎｇｏｔＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｏｕｔｔｈｅｐｕｌｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ（ａ１）３００３／４００４ａｌｌｏｙ；（ａ２）Ｍａｇｎｉｆｉｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆ３００３／４００４ａｌｌｏｙ；（ｂ１）４００４／３００３ａｌｌｏｙ；（ｂ２）Ｍａｇｎｉｆｉｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆ４００４／３００３ａｌｌｏｙ万方数据３８材料研究与应用２Ｏ１５２．２电磁场对３００３／４００４复层铸锭凝固组织的影响４００４金属熔体在３００３金属壳内自然凝固，４００４金属液凝固所释放的潜热使３００３金属凝壳层表面有一定程度的融化，形成具有固态枝晶网络的半固态层，从而实现二种铝合金的冶金结合．图２为３００３／４００４复层铸坯界面形貌金相照片．从图２可见，施加电磁场前后３００３／４００４复层材料界面形貌发生明显地变化．未施电磁场时，首先亚共晶成分的４００４金属液在３００３金属壳内壁上大量非匀质形核析出先共晶口一Ａｌ层，同时向周围熔体中排人大量Ｓｉ溶质，使其达到共晶成份，发生共晶反应，大量共晶Ｓｉ又在先共晶口一Ａｌ层上非匀质形核圈匝西—————————■■■●■■Ｊ一析出，最终使共晶Ｓｉ在界面上呈针片状大量平行聚集分布，从而对界面产生强烈割裂作用，严重影响了界面的结合强度（图２（ａ））．施加电磁场后，在脉冲电磁场产生的强烈脉冲振荡冲击作用下，使金属液中的温度场及溶质场更加均匀化，Ｓｉ溶质无法在先—共晶ａＡｌ层附近富集，４００４金属液的温度趋向于整体同时降低至液相线以下，而发生等轴晶凝固；同时在强烈的脉冲振荡冲击作用下，还会使在先共—晶ａＡｌ层上非匀质形核的大量共晶Ｓｉ晶核很难附着在其上生长，而被冲击游离到熔体中，最终使界面处共晶Ｓｉ呈短棒状或块状分布，从而强化了界面的结合强度（图２（ｂ））．’。々，、．ｊ‘ｆ”…’？。８０Ｉ－ｔｉｎ图２３００３／４００４复层铸坯界面形貌金相照片（ａ）未施加电磁场；（ｂ）施加５０Ｖ，２００Ａ电磁场Ｆｉｇ．２Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｉｍａｇｅｓｏｆ３００３／４００４ｃｌａｄｄｉｎｇｉｎｇｏｔｓ（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｐｕｌｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；（ｂ）ｗｉｔｈｔｈｅ５０Ｖ，２００Ａｐｕｌｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ２．３电磁场对４００４／３００３复层铸锭凝固组织的影响图３及图４分别为４００４／３００３复层材料界面形貌扫描电镜照片和金相照片．从图３和图４可见，施加电磁场前后４００４／３００３复层界面区域发生了明显变化．未施加电磁场时，当向低熔点的４００４铝合金外壳中浇入高熔点的３００３铝合金时，首先３００３金属液在４００４金属壳内层大量非匀质形核，并以柱状方式向３００３金属液的内部生长，生长一段距离且形成３００３薄层壳后，３００３金属液的温度降低到液相线以下，剩余的３００３金属液以等轴晶方式凝固长大，最终完全凝固．由于３００３铝合金熔点远远高于４００４铝合金熔点，在４００４金属壳一侧将发生部分重熔，随着温度的降低这部分重熔的４００４金属液又—重新凝固，最终在两合金交界处形成一个由ａＡｌ组成的界面区域，并且在界面区域内两种合金原始交界线上形成一条晶界线，晶界线上富集了大量的金属间化合物以及杂质，使界面的结合强度大大降低（图３（ａ）和图４（ａ））．施加脉冲电磁场后，在脉冲电磁场周期性脉冲振荡作用下，界面区域组织凝固方式发生了变化，由于３００３金属液在４００４金属壳上无法迅速形核生长，而是与重熔的４００４金属液混合，随后口一ＡＩ以柱状方式从４００４金属壳的一侧向３００３金属液的内部生长，当温度降低至液相线以下后，３００３金属液以等轴晶方式凝固长大，最终使界面区域内的晶界线被破除，界面区域组织变为在—ａＡｌ基体上大量弥散分布的金属间化合物及杂质强化相，这有助于提高界面的结合强度（图３（ｂ）和图４（ｂ））．万方数据第９卷第１期李继展，等：电磁场对铝合金复层材料界面形貌的影响３９图３４００４／３００３复层材料界面形貌扫描电镜照片（ａ）未施加电磁场；（ｂ）施加５０Ｖ，２００Ａ电磁场Ｆｉｇ．３ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ４００４／３００３ｃｌａｄｄｉｎｇｉｎｇｏｔｓｎｅａｒｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；（ｂ）ｗｉｔｈｔｈｅ５０Ｖ，２００Ａｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ一未３结论窭的金盾闾化合物及‘ｉ８０ｕｍ●—————Ｌ二＿Ｊ●－嘲｝Ｉ、薹鹾籍露黼ｌ。・ｊ０囔蔼圈舅搿嘲孥警雩ｉｌ｜｜霞黪霹圈及簌蘩攀；；篓錾黼瑟图４４００４／３００３复层材料界面形貌金相照片（ａ）未施加电磁场；（ｂ）施加５０Ｖ，２００Ａ电磁场Ｆｉｇ．４Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｉｍａｇｅｓｏｆ４００４／３００３ｃａｌｄｄｉｎｇｉｎｇｏｔｓｎｅａｒｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；（ｂ）ｗｉｔｈｔｈｅ５０Ｖ，２００Ａｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ施加脉冲电磁场能够明显地改善３００３和４００４铝合金复层材料的界面形貌．对于３００３／４００４合金复层材料，经电磁场处理后，共晶Ｓｉ在界面上的分布形态由呈针片状平行界面连续聚集分布变为呈短棒状或块状不连续弥散分布，强化了界面结合强度；对于４００４／３００３合金复层材料，经电磁场处理后，界面区域内聚集大量金属间化合物及杂质的晶界线被破除，金属间化合物及杂质强化相变为在整个界面区域内弥散分布，界面结合强度同样被加强．满８０ｕｍ参考文献：［１］刘鼎．半连续铸造制备３００３／４００４板坯复层材料［Ｊ］．特种铸造及有色合金，２０１０，３０（５）：４４６－４４９．［２３ＴＡＫＥＵＣＨＩ，ＭＺＥＮＥ．Ｎｏｖｅｌｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ—ｐｒｏｇｒｅｓｓｆｏｒｃｌａｄｓｔｅｅｌｓｌａｂｓｗｉｔｈｌｅｖｅｌ１３（３ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＥＪ］．ＩｒｏｎＭａｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌ—Ｍａｋｉｎｇ，１９９７，２４（３）：２５７２６３．［３］吴春京，谢建新，赵立华，等．双结晶器连铸铜／锌铝合金双金属复合材料［Ｊ］．特种铸造及有色合金，２００２（３）：—２６２９．［４］于治民，吴春京，谢建新，等．双金属层状复合材料连铸—工艺的研究进展［Ｊ］．铸造技术，２００４，２５（５）：４００４０１．［５］储双杰，吴人洁．金属基复合材料新型制造技术［Ｊ］，稀有金属材料与工程，１９９５，２４（６）：ｌ－８．聪蕾冀饔●．十、、：，０万方数据４０材料研究与应用２０１５Ｅ６］王玲，荆民昌．金属基复合材料的铸造方法及发展应用—ＥＪ］．铸造设备研究，１９９６（４）：４９５２．［７］张国定，金属基复合材料界面问题ＥＪ］．材料研究学报，—１９９７，１１（６）：６４９６４７．［８］谢建新，孙德勤，吴春京，等．双金属复合材料双结晶器—连铸工艺研究［Ｊ］．材料工程，２０００（４）：３８４０．［９］张卫文，邹敢峰，邓长宁．以连续铸造方法制备梯度材料—的实验研究［Ｊ］．金属学报，１９９８，３４（６）：６０９６１４．［１０］赵勇慧．连铸过程中金属液流动的电磁控制［Ｍ］．大连：大连理工大学，２００２．［１１］周全，涂序荣，陈乐平．脉冲磁场下制备的ＡＺ９１Ｄ－３Ｃａ合金的半固态压缩力学行为［Ｊ］．特种铸造及有色合—金，２０１０，３０（２）：１３１１３３．［１２］周全，杨院生，马建超．脉冲磁场对ＡＺ９１Ｄ镁合金凝固—组织的影响Ｉ－ｊ］．铸造，２００７，５６（２）：１４８１５２．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆ—ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃｌａｄｍａｔｅｒｉａｌｓＬＩＪｉｚｈａｎ，ＳＵＮＨｏｎｇｙｉｎｇ，ＷＵＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭｅｔａｌｓ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，ＣｈｉｎａＣｈａｏｑｕｎ，ＬＩＵＹｉｎｇｋｕｎ，ＷＡＮＧＣａｉｈｕａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ—Ｎｏｎｆｅ．＇ｏｕｓＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＡ１３００３ａｎｄＡ１４００４ｃｌａｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｒｌａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃｌａｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｃｈａｎｇｅｄｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ．Ｗｉｔｈｏｕｔａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｉｅｌｄ，ｎｅｅｄｌｅｌｉｋｅｅｕｔｅｃｔｉｃ—ｓｉｌｉｃｏｎｐａｒａｌｌｅｌｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆ４００４／３００３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｃｕｔｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｍａｄｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｗｉｔｈａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｄｕｅｔｏｐｅｒｉｏｄｉｃｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｍｏｌｔｅｎｍｅｔａｌ，ｂｕｌｋｏｒｓｈｏｒｔ—ｒｏｄｌｉｋｅｅｕｔｅｃｔｉｃｓｉｌｉｃｏｎｄｉｓｐｅｒｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｓｕｃｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ａｓｆｏｒ３００３／４００４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｌｓｏｈａｄｐｏｓｉｔｉｖｅｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇ—ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｗｉｔｈｏｕｔａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓａｎｄｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｓｅｇｒｅｇａｔｅｄｏｎｏｎｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｗｉｔｈｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｚｏｎｅ，ｗｈｉｃｈｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｗｉｔｈａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｄｉｓａｐｐｅａｒｅｄ，ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓａｎｄｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｄｉｓｐｅｒｓｅｄａｓｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｚｏｎｅ．Ｓｕｃｈｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｄｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ万方数据