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中科金屬所《MSEA》一種制造鎂鋁復合板材的新方法！

2022-07-05 13:59:33 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：本文采用一種新穎靈活的方法制備了Mg/Al復合材料板。采用冷噴涂的方法在AZ31B鎂合金板上直接沉積7075鋁合金粉末，從而得到結合良好的Mg/Al復合板材。然后對噴射態復合材料板進行熱軋(HR)以進一步提高(軋制態)力學性能。從滾動方向(RD)和橫向(TD)兩方面系統研究了噴射態和軋制態Mg/Al復合板材的界面組織、織構演變、金屬間化合物(IMCs)形成、力學性能和斷裂行為。結果表明:CS + HR法制備的Mg/Al復合材料板的力學性能與傳統滾接、爆炸焊和擴散焊等法制備的Mg/Al復合材料板相當，甚至優于后者。噴射復合材料板材在界面處表現出較強的剪切結合強度，這是由CS過程引起的。HR增強了Al-Al顆粒間的結合，導致AZ31B Mg層晶粒細化。此外，在HR樣品界面形成條狀分布的內膜細胞。結果表明，Al、Mg組份板以及復合材料板的極限抗拉強度(UTS)均有所提高，而剪切強度略有降低。并詳細研究了復合材料板的裂紋萌生和擴展過程，以了解其斷裂機理。

近幾十年來，鎂及其合金因其自身的優良性能而引起了人們的廣泛關注密度低，比強度高，電磁屏蔽性能好。鎂合金作為最輕的結構金屬，在汽車、航空航天和電子工業中具有廣泛的應用前景。然而，鎂合金的主要缺點之一是耐腐蝕性能差，這極大地限制了鎂合金的廣泛應用。要解決這個問題，一個有效的解決辦法就是制造Mg/Al復合板材，其中鋁可以提供優良的耐腐蝕性能，通過在其表面自然形成致密的保護性Al2O3膜。

目前，制備Mg/Al復合材料板的方法有輥焊、爆炸焊、擴散焊、共擠、帶鑄等。顯然，爆炸焊接和擴散連接可以形成良好的結合界面，具有較高的結合強度和較薄的IMCs。然而, 從生產效率、生產成本和環境保護等方面來看，這些工藝并不適合鎂鋁復合板材的工業化生產。輥式粘接是一種高效、經濟、環保的粘接技術制造復合材料，適合大規模工業生產。但文獻表明，在HR過程中，Mg/Al界面處不可避免地會形成脆性的IMCs(如Al3Mg2, Mg17Al12)，使其力學性能下降。例如Nie et al.在400℃熱軋后在200-400℃退火1-4 h制備了Al /Mg/ Al層壓板，結果表明界面處形成的厚IMCs大大降低了粘結強度和塑性。此外，在輥粘接前，必須對配合面進行研磨，以去除表面氧化層。此外，原料板需要用鉚釘或焊接固定在一起，以防止軋制過程中的相對運動。由于原料板之間缺乏預粘結，通常需要真空爐進行加熱，以防止界面氧化。因此，上述問題限制了軋制結合技術在制備高質量Mg/Al復合材料板中的應用。

CS作為一種很有前途的用于多種材料的固態沉積技術，近年來受到了廣泛的關注。在CS過程中，原料粉末在高壓高溫推進氣體的加速作用下，受到基體或預沉積層的沖擊。冷噴涂沉積的持續生長很大程度上依賴于顆粒-顆粒界面的嚴重塑性變形和絕熱剪切不穩定性。在整個CS過程中，原料粉末的溫度保持在其熔點以下，從而避免了氧化、相變和最終鍍層的熱應力。迄今為止，已成功制備出各種組織致密、力學性能優良的金屬鍍層。其中包括純銅、鋁、鎳、鋅等及其合金。

在前人工作的基礎上，CS與HR相結合(CS+HR)已被證明是一種制備金屬層合板的有效方法。Zhao et al.利用CS在鋼板上沉積純鈦粉末成功制備鈦/鋼復合板，并研究了熱軋和噴淋后退火處理對其組織和力學性能的影響。采用CS+HR法制備層合材料，可以很好地控制各組成金屬層的厚度。此外，高速顆粒撞擊(沉積過程中)可以打破基材和原料粉末表面的氧化膜。該冷噴層壓復合材料不僅可以作為某一用途的成品，還可以作為軋輥粘接的中間產品。也就是說，可以用CS代替傳統軋制工藝中的鉚釘固定和焊接工序，實現各組成金屬板之間的緊密無空洞結合。因此，在軋制過程中不再需要真空爐，避免了不必要的界面氧化。

據作者所知，目前還沒有通過CS+HR制備Mg/Al復合板材的嘗試。在此，中科院金屬所Jiqiang Wang教授團隊探索CS+HR制備商業應用的Mg/Al復合板材的可行性。研究了不同工藝條件下Mg/Al復合材料的RD和TD界面組織和力學性能。利用混合物規則(ROM)預測Mg/Al復合材料板的抗靜電強度，并將預測值與實驗值進行比較。并詳細研究了復合材料板的裂紋萌生和擴展過程，以了解其斷裂機理。相關研究成果以題“An innovative and flexible approach to fabricate Mg/Al composite plates: Cold spraying and hot rolling post-treatment”發表在金屬頂刊Materials Science and Engineering: A上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143515

1.采用冷噴涂技術成功地制備了界面結合良好的(預粘合)Mg/Al復合材料板。7075 Al鍍層與AZ31B Mg鍍層之間形成了較強的機械聯鎖，這是由CS過程中的嚴重沖擊引起的。噴射態Mg/Al復合板材的抗拉強度、EL強度和剪切強度分別為262 + 5.7 MPa、4.4 + 0.2%和127 + 6.5 MPa。

2.熱軋后，板條分布的IMCs、新的結合界面和微孔交替分布在原始界面上。IMCs由AlsMg2和Mg17Al12組成。

3.熱軋強化了Al-Al顆粒間的結合，導致AZ31B Mg層晶粒細化。結果表明，Al、Mg組份板及復合材料板(RD: 369 + 7.6 MPa, TD: 366 + 14 MPa)的抗壓強度均有所提高。對于噴涂和軋制后的RD樣品，Pre. UTS(由ROM預測)和Exp. UTS很好地一致。然而,As - Roll TD樣本的Pre. UTS略低于Exp. UTS，因為ROM沒有考慮到條帶分布的IMC的影響。

4.斷裂后，Mg/Al復合板材沒有發生完全的分層，EL值始終保持在7075 Al和AZ31B Mg組份之間。由于7075層固有的低延性，裂紋最初產生于7075層的外表面，并向界面擴展。

圖1 冷噴涂(a)和熱軋(b)工藝的示意圖。面板(c)顯示了軋制時Mg/Al復合材料板的數字圖像不同的觀點。

圖2 拉伸試樣的原理圖和精確尺寸(a)剪切(b)試驗。

圖3 7075原料的SEM顯微圖(a-c)和粒度分布(d)粉。圖(e)為S1和S2的EDS點分析結果。

圖4 ND-RD (c, d)和ND-TD (e, f)面噴射(a)和軋制(a) Mg/Al復合材料板的截面SEM圖。圖(b)顯示了圖(a)的EDS映射結果。圖(g-i)顯示了分別對新鍵合界面、IMCs和孔隙進行的EDS線掃描。面板(j)匯總了面板(d)和(f)的點分析結果。

圖5 噴射態和軋制態Mg/Al復合材料板的XRD譜圖界面區域。

圖6 研究了噴射態(a, b)和軋制態(c, d) Mg/Al復合材料板沿界面分離的斷口形貌。界面IMCs分布示意圖(e)。

圖7 圖像質量圖像(a, d)，反極圖(b, e)和極圖(c, f)噴射態7075 Al鍍層和接收態AZ31B Mg鍍層圖。

圖8 圖像質量圖像和反向極點圖取自于噴射時(a, d)，軋制時RD (b, e)和軋制時RD (c, f)復合材料板的截面積。面板(g-i)顯示了Mg層的極線圖。

圖9 不同工藝條件下Mg/Al復合材料板界面附近的維氏顯微硬度分布:噴態(黑色)、軋制態(紅色)和軋制態(藍色)。圖中為典型的7075 Al、AZ31B Mg和界面壓痕的SEM圖像。

圖10 噴射態(a)、軋制態(b)、軋制態(c)復合材料板和薄板的典型工程應力-應變曲線。抗剪強度(d)與剪切粘結強度(e)的柱狀圖。

圖11 拉伸試樣的斷裂形貌: 噴射態(a-d); 軋制態RD (e-h); 軋制態TD (i-l).

圖12 不同應變水平下拉伸試樣的OM截面圖像，它代表了復合材料板的斷裂過程:裂紋萌生(a)、裂紋擴展(b)和斷裂(c)。

圖13 剪切試樣的斷裂形貌:噴射態(a, d)、軋制態RD (b, e)和軋制態TD (c, f)。不同加工條件下的界面斷裂示意圖:噴射態(g)、軋制態RD (h)和軋制態TD

綜上所述，首次采用冷噴涂與熱軋相結合的工藝制備出了具有優良組織和力學性能的Mg/Al復合板材。研究了Mg/Al復合材料在不同工藝階段的組織和力學性能。噴涂后的樣品具有較高的剪切強度(127 + 6.5 MPa)，這是由于其具有較強的機械聯鎖作用。熱軋后，RD (78 + 6.9 MPa)和TD (124 + 4.6 MPa)的剪切粘結強度均有所下降。軋制態RD和軋制態TD試樣剪切粘結強度的差異可能與內模組織的帶材分布形態有關。

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