铝/镁合金爆炸焊接层状复合材料界面行为的研究

摘要

镁合金材料由于具有轻质高强和资源丰富的优势，已成为继钢铁、铝合金材料之后的第三大金属工程材料。但由于其韧性低、抗腐蚀能力差等缺点，严重制约了其优势的发挥和应用。因此采用在镁合金表面覆铝合金的方法制备层状复合材料，提高镁合金材料的表面性能和力学性能。鉴于此，本文通过爆炸焊接的方法成功制取铝/镁合金层状复合材料。
　　通过爆炸焊接的方法，采用优化的工艺参数，将AZ31B镁合金和AA6061铝合金复合在一起。借助金相显微镜、SEM、TEM、EDS及力学性能测试等手段，系统地研究了爆炸焊接过程和热处理过程对界面组织结构的演变及力学性能的变化，并且进一步探讨了爆炸焊接复合材料波形界面形成及结合机制。
　　研究表明:铝/镁合金爆炸焊接层状复合材料界面呈波浪状且紧密的结合在一起，Al、Mg元素在结合界面发生轻微的扩散，导致界面发生了冶金结合。结合界面处镁合金侧晶粒由于塑性变形的作用，晶粒发生不规则的变形，靠近结合界面处生成细小的等轴晶粒，远离界面处晶粒发生严重的伸长变形。在镁合金侧出现绝热剪切带组织，组织内中心为细小的等轴晶粒，沿爆炸方向呈45°倾斜。在结合界面处，波前及波脊处存在一定的熔化块和熔化层。TEM透射分析证实界面塑性变形导致界面存在大量位错结构。
　　复合材料结合界面区域的显微硬度测试结果表明，由于塑性变形导致加工硬化使复合材料结合界面处的显微硬度值最高，铝合金侧由母材的95HV增长为119HV，镁合金侧由母材的65HV增长为89HV。
　　复合材料经过不同状态的热处理后，界面Al、Mg元素发生相应不同程度的扩散，且随着热处理温度的升高，元素的扩散程度增强。当超过Al、Mg元素各自的固溶度时，界面生成了相应的金属间化合物，分别为靠近镁合金一侧的为Mg17Al12层，靠近铝合金一侧的为Al3Mg2层。金属间化合物的生长符合抛物线规律，基于此规律建立了金属间化合物的生长方程为:y2=2.34×exp(-79538/RT)t。
　　通过测定铝/镁合金复合材料爆炸焊接态及热处理态的力学性能，可以得出以下结论:爆炸焊接态的复合材料抗拉强度为158MPa。热处理200℃/2h后，导致复合材料界面变形组织消失且残余应力得到释放，因此界面抗拉强度达到189MPa，提高了19.6％。热处理300℃/2h和400℃/2h后，界面金属间化合物层Mg17Al12、Al3Mg2的出现使复合材料的抗拉强度急剧下降为129MPa和115MPa，另一方面热处理导致材料发生软化致使伸长率升高。而且复合材料的抗弯曲性能及界面断裂情况在不同热处理状态下呈现不同的形貌。
　　界面波形形成的原因为界面的塑性变形和射流的综合作用。爆炸焊接的结合区中存在着金属的塑性变形，适量熔化和原子间的扩散等特征被认为是一种结合压力焊、熔化焊、扩散焊的一种焊接方式。
　　通过研究爆炸焊接铝/镁合金层状复合材料界面行为及热处理对其的影响，以期为铝/镁合金层状复合板在生产实践中推广应用提供理论指导和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 镁合金表面覆铝改性方法及研究现状

1．3 铝／镁层状复合材料制备方法及研究现状

1．4 爆炸焊接法制备层状复合材料

1．4．1 爆炸焊接发展及研究现状

1．4．2 爆炸焊接后续热处理的意义

1．4．3 爆炸焊接制备铝／镁复合材料的适用性

1．5 本课题研究的主要内容及技术路线

第二章 试验材料、分析方法及设备

2．1 试验材料

2．2 爆炸焊接试验过程

2．2．1 选取工艺参数

2．2．2 试验过程

2．3 分析方法

2．3．1 界面微观组织分析

2．3．2 力学性能测试

2．3．3 热处理工艺

第三章 复合材料界面微观组织及性能分析

3．1 引言

3．2 铝／镁复合材料及界面宏观形貌

3．3 铝／镁复合材料界面微观组织分析

3．3．1 铝／镁复合界面组织及晶粒变形分析

3．3．2 绝热剪切带(ASB)组织及形成机制分析

3．3．3 波前熔化块组织及形成机制分析

3．3．4 结合界面透射电镜结构观察与分析

3．4 铝／镁复合材料界面力学性能分析

3．4．1 铝／镁复合材料界面显微硬度分析

3．4．2 铝／镁复合材料界面结合强度分析

3．5 本章小结

第四章 热处理对复合材料界面组织的影响

4．1 引言

4．2 热处理对界面组织及成分的影响

4．3 热处理对界面镁合金侧组织的影响

4．4 热处理对界面元素扩散行为的影响

4．4．1 铝／镁界面元素的扩散过程分析

4．4．2 铝／镁界面扩散层生长动力学研究

4．5 本章小结

第五章 热处理对复合材料力学性能的影响

5．1 引言

5．2 热处理对复合材料界面显微硬度的影响

5．3 热处理对复合材料界面拉伸断裂的影响

5．4 热处理对复合材料界面弯曲性能的影响

5．5 本章小结

第六章 爆炸焊接波形界面形成及结合机制分析

6．1 引言

6．2 爆炸焊接波形界面形成原理

6．3 爆炸焊接界面的结合机制

6．4 本章小结

第七章 结论及展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文