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固液浇注法铸铝_镁铸锭复合材料界面层研究.pdf

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资源描述

1、2023年第5期2023年10 月试验研究固液浇注法铸铝/镁铸锭复合材料界面层研究铸造设备与工艺FOUNDRY EQUIPMENT ANDTECHNOLOGYD0I:10.16666/ki.issn1004-6178.2023.05.007Oct.2023No5陈东,叶丹,刘琛,刘正旺,尹正宇,郑心喆,朱永长(佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江佳木斯1540 0 0)摘要:针对单一镁合金(AZ91D)耐热性差和耐腐蚀性差的问题,利用固液复合的方法将熔融铝液(纯铝)倒入镁合金中(AZ91D)制备Mg/AI合金双金属复合材料。通过扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)X 射线衍射(XRD)以及拉伸

2、测试对材料界面组织、相组成和硬度测试进行分析。试验结果表明:当以熔融纯铝为浇注金属时,浇注温度为7 3 0 C,空冷、镁合金(AZ91D)和铝锭未获得较明显的界面组织,猜测可能是出现了扩散连接。其中共有3 个合金界面较明显的区域,其中中间界面区域为AlsMg2和残存的MgSiz,Mg基体一侧主要为Mg基固溶体和极少量的 MgiAliz,Al 基体一侧主要为 Al 基固溶体和 Al,Mg2.关键词:固液复合;双金属复合;复合材料中图分类号:TG146,TG292Study on Interface Layer of AVAZ91D Laminated Composite Based on Sol

3、id-liquid CompositeCHEN Dong,YE Dan,LIU Chen,LIU Zheng-wang,YIN Zheng-yu,ZHENG Xin-zhe,ZHU Yong-chang(School of Materials Science and Engineering,Jiamusi University,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)Abstract:Aiming at the problem of poor heat resistance and corrosion resistance of a single magnesium

4、 alloy(AZ91D),Mg/Alalloy bimetallic composite was prepared by pouring molten aluminum liquid(pure aluminum)into the magnesium alloy(AZ91D)bysolid-liquid composite method.The interfacial microstructure,phase composition and hardness of the materials were analyzed by scan-ning electron microscopy(SEM)

5、,energy dispersive spectroscopy(EDS),X-ray difraction(XRD)and tensile test.The test resultsThe test results show that no obvious interfacial structure can be obtained when pure aluminum is poured at 730 Cand combined withmagnesium alloy by air cooling.The possible reason is that there is diffusion c

6、onnection in the interface.There are three regions withobvious alloy interface,among which the middle interface region is Al,Mg2 and residual MgSi2,the Mg matrix side is mainly composedof Mg-based solid solution and a small amount of MgizAli2,and the Al matrix side is mainly composed of Al-based sol

7、id solution andAl.Mg2.Key words:solid-liquid recombination,bimetallic composite,composite文献标识码:A文章编号:16 7 4-6 6 94(2 0 2 3)0 5-0 0 2 2-0 4随着时代的快速发展,交通运输、航空航天工业和航天工业已然成为决定一个国家发展的重要因素,一种合金往往满足不了行业性能需求,通过铸造等工艺来将两种或多种材料复合,形成双金属或多金属复合材料,不仅可以改善了所研究材料的机械性能、化学性能、物理性能和工艺性能,同时还扩展了该材料的应用范围和领域,降低了生产成本。因此关于如何有效的

8、连接并且使交界层表现良好在国内外有了很大的研究价值 2。收稿日期:2 0 2 3-0 3-15作者简介:陈东(2 0 0 2-),男,山东菏泽人,本科,主要研究方向:铝镁复合成形工艺。通讯作者:朱永长(197 5-),男,黑龙江佳木斯人,教授,博士生导师,主要从事金属复合耐磨材料、轻量化复合材料的研究。基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(LH2020E024).22国内外学者对镁铝复合如何有效地连接提出了相应的方法,例如爆炸焊复合法、摩擦焊法和轧制法等等。摩擦焊法需要靠工件旋转实现,焊接非圆截面较困难,同时也不易夹持;钎焊接头的强度一般较低,耐热能力差,对于大面积异种金属连接无法有效的进行;爆

9、炸焊复合法要求被焊接的金属材料必须具有足够的韧性和抗冲击能力,同时还会产生噪声,也无法成为最佳的复合方式。固液复合浇注法,此复合方式在液相与固相的连接处接触面积更加均匀,反应界面更加稳定,便于观察,同时,固液复合工艺简单,经济效益好,耗能低,可轻易实现复合。但因为采用固液复合的方式,可能在交界处会导致脆性相的生成,影响所需的组织结构。本文以铸态镁合金AZ91D和液态纯铝采用固液浇注的方法将其复合,制备出镁铝复合材料,研2023年第5期究该复合材料界面层的微观组织和力学性能1试验方法以铸态AZ91D和纯铝为原料,其成分如表1所示。表1AZ91D和纯铝成分表(质量分数,%)名称MgA1AZ91D余

10、量8.5 9.50.45 0.90|0.17 0.40.0 50.0 2 50.0 0 10.0 0 4纯铝一99采用一台型号SG2-5-10电阻炉,将铝锭放人埚置于电阻炉中,加热至7 50 使其熔化并保温静置10 min,待温度下降至7 3 0 时进行浇注,浇注前,因镁合金(AZ91D)化学性质活泼,需提前往铸型中充入保护性气体,并在浇注时一直保持充人,以防镁合金燃烧 4。采用固液复合工艺,为了保证浇注溶液铝液在纵向有比较大的温度梯度和铸件断面的凝固区域的宽度等于零,需要采用单一的凝固方式,因此需提前在铸型内底部放置激冷材料,以达到断面稳定。浇注液从浇口处浇人铸型型腔内,内设一个直浇道窝缓冲

11、,防止浇注液进溅。当浇注液接触到镁合金(AZ91D)时,会在接触面处产生较大的温度梯度,会自右向左逐渐凝固,已完成逐层凝固。当浇注液充满型腔时,停止浇注,从观察口观察凝固情况,当完全凝固后,静置冷却观察断面层即可。对制得的铝镁复合材料进行线切割截取金相试样,金相试样尺寸为2 0 mm20mmx20mm,将截取的试样放在目数为40 0#,6 0 0#,8 0 0#,10 0 0#,1200#,150 0#,2 0 0 0#砂纸上依次打磨至光滑,去除表面氧化层。然后使用粒度为0.5um抛光剂进行抛光,随后用酒精清洗,再用盐酸和氢氟酸等金相腐蚀剂进行腐蚀,紧接着再用酒精清洗,用吹风机吹干后放到金相显

12、微镜下观察,使用的金相显微镜型号为AxioObserver3,放大倍数为10 0 0 倍;采用钨灯丝高低真空扫描电子显微镜(SEM,型号JSM-6360LV,日本电子株式会社)测定样品的微观表面形貌。2试验结果与分析2.1镁/铝复合材料界面显微组织分析镁/铝复合材料界面微观形貌如图1所示,根据扫描结果可以观察到,镁铝层状复合材料已达到了较好的连接效果。颜色较亮的部分为纯铝基体,颜色较暗的为AZ91D镁合金基体,且镁合金基体与纯陈东,叶丹,刘琛,刘正旺,尹正宇,郑心喆,朱永长:固液浇注法铸铝/镁铸锭复合材料界面层研究ZnMnSiCuNi1一铸造设备与工艺铝基体之间并未出现明显的金属间化合物过渡区

13、域,同时根据图2 高倍数扫描结果亦可得出,镁铝之间的连接是基于镁铝原子间发生了互相扩散。故而中间过渡区域并不明显,这一现象可解释为:当液态铝浇注到室温模具及镁合金棒表面上时,热量被模具及镁棒吸收,导致铝液温度快速下降,低于Fe镁铝共晶反应的温度,因此在界面处并未检测到金属间化合物,而在线扫描结果中也仅检测到了镁铝两种基体元素的变化,因此表明在液态铝浇注温度为7 3 0 时,两侧基体通过扩散结合的方式连接在一起。400m图1复合界面处扫描图2.2能谱仪分析图2 为EDS分析结果,镁合金基体未与纯铝基体发生有效的复合,两个界面处存在少量的复合痕迹。表明纯铝一侧基体生成了部分条状晶体,推测可能激冷材

14、料导致过冷度较大,晶粒来不及长大扩散,阻碍了纯铝一侧基体向中间层的扩散。同时观察图1,镁合金一侧生成了部分片状结构。观察界面层与镁合金和纯铝的结合处,可以看出有一条较为明显的分界线 9。推测出交界区域为熔融液态铝与镁合金接触,两种元素之间相互扩散生成了大量细小而弥散分布的金属间化合物,测得其平均厚度为36m,纯铝基体侧厚度为2 0 m,镁合金基体一侧厚度为 40 m.图3 为线扫描结果,从铝基体到界面过渡区再到镁基体,镁、铝元素含量有较明显转变的过程,且中间区域的过渡区镁元素和铝元素的含量,较原基体有明显的变化,说明在中间区域两元素发生了一定程度的扩散,在镁合金基体一侧主要分布Mg,纯铝基体一

15、侧主要为Mg和Al的融合体,其中Mg的含量大于Al的含量,再看向中间复合区域,也是由Mg和Al 的融合体组成,但两者的含量都有所下降。由于纯铝侧基体出现了Mg,而镁合金基体一侧几乎未出现Al,推测Mg元素的扩散能力大于Al元素,也可能是因为熔融铝液碰到激冷材料,导致温度快速下降,无法完成有效的扩散 10。23200mOct.2023No5铸造设备与工艺2023年第5期50 mZAM电子图像2.3XRD 分析XRD分析仪测试结果如图4所示。表明,在中间界面层主要生成了Mg2Al,和MgiAlz两种金属间化合物。其中2 0 值42.2、7 7.4的衍射峰可标记为Mg2Al,相-1。图中2 0 值为

16、3 7.1、6 4.5、8 2.1对应的衍射峰可标记为Mg17Ali2相,从图中同时也可以看出,MgiAli2相的衍射峰相比于Mg2Al,相的衍射峰强度相对较弱,Mg17Ali2相的生成量较少,是因为AI元素在Mg合金基体一侧通过扩散机制和扩散原理而形成的 14-15。在扩散的过程中,A1原子由于活泼,而Mg元素由于存在于合金中,导致Al元素在空间中占据Mg元素的位置,代替Mg元素,从而在液相中较窄的区域形成MgiAl12,从而在中间区域的占比少。而对于中间主要复合区域,由Mg、A l、Mg2Al,以及少量的Mgi7Aliz共同组合而成。最后结果表明,在浇注过程中纯铝与镁合金基体在界面层的中间

17、区域发生的元素的扩散,形成了Al-Mg间金属化合物。2.4显微硬度测试对中间区域的界面层进行显微硬度测试,由镁合金基体一侧到中间扩散区域,再到纯铝基体一700016000500040003000200010000050100150200250300350400450500400 um图3 界面区域线扫描分析2450m图 2 EDS 分析图4XRD对比侧,硬度由低到高,再由高到低113-15。由显微硬度测试仪测试到Mg侧基体的硬度约为40 HV,中间界面层的显微硬度约为12 8.5HV,纯铝侧基体约为39.5HV.其中中间界面层峰值约为13 5HV,明显大于两侧基体的硬度。中间界面层的平均硬度约

18、为76HV.可以推测出由于中间区域生成层的组织硬度大于两侧,中间界面层发生了反应。即镁基体 纯铝基体的复合界面显微硬度变化趋于一样。3结论1)通过固液复合的方法,将熔融铝液与铸态镁合金(AZ91D)实现金属间结合,从而形成Al-Mg金属件间层状复合材料。2)A l-M g 层状复合材料的界面中间层主要发Alkl生的是扩散反应。其中间扩散区域主要由Mg、A l、Mg2Al,以及少量的Mgi7Aliz共同组合而成。Mgkl_23)纯铝一侧基体平均显微硬度约为3 9.5HV,Zn Ll镁合金(AZ91D)平均显微硬度约为40 HV,中间扩散区域界面层的的显微硬度峰值最高可到13 5HV.参考文献:1

19、】陈芙蓉,李国伟.7 0 7 5 铝合金的研究现状 J.机械制造文摘(焊接分册),2 0 19(0 1):1-7.2 Jun Luo,Hongyun Luo,Sijie Li,Runze Wang.Effect of pre-ageingtreatment on second nucleating of GPII zones and precipitationkinetics in an ultrafine grained 7075 aluminum alloyJJ.Materi-50 m.AIMg2Al;AMg+Mgi7Ali220/2023年第5期als&Design,2020,187.3

20、 Pawe Kaczynski,Mateusz Skwarski,Karol Ja kiewicz.Developmentof the technology for press-forming of energy-absorbing elementsmade of 7075 aluminum alloy JJ.Journal of Manufacturing Pro-cesses,2020,50.4 Zhiqiang Zhang,Jianhao Yu,Dongye He.Effects of contact bodytemperature and holding time on the mic

21、rostructure and mechani-cal properties of 7075 aluminum alloy in contact solid solutiontreatment JJ.Journal of Alloys and Compounds,2020,823.5 Yuki Otani.Effects of the addition of silicon to 7075 aluminumalloy on microstructure,mechanical properties,selective lasermelting processability J.Materials

22、 Science&Engineering A,2020,777.6 Judith M.Dickson,Thomas H.Sanders.Crystllographic texture de-velopment in extruded AA 2195 and AA 7075JJ.Materials Char-acterization,2020,160.7 Saikumar R.Yeratapally,Patrick E.Hochhalter,William P.Leser,Timothy J.Ruggles.A digital twin feasibility study(Part D):Non

23、-deterministic predictions of fatigue life in aluminum alloy 7075-T651microstructure-based multi-scale model J.EngineeringFracture Mechanics,2020,228.8 Yuqin Rao,Qun Wang,Daisuke Oka,Chidambaram Seshadri Ra-machandran.On the PEO treatment of cold sprayed 7075 alu-minum alloy and its effects on mecha

24、nical,corrosion and dry陈东,叶丹,刘琛,刘正旺,尹正宇,郑心喆,朱永长:固液浇注法铸铝/镁铸锭复合材料界面层研究技术创新,2 0 19(19):17 4-17 5.13苏晓瞳。金属复合材料在制造业的应用J.世界有色金属,2018(1):242+244.14徐圣航,周承商.金属层状结构复合材料研究进展 J.中国有色金属学报,2 0 19,2 9(6):112 5-1142.15刘朋柱.铸造法制备金属层状复合材料的发展及应用 J.中国新技术新产品,2 0 18(9):52-53.16Mehmet S,Levent C K,Ali O.An investigation int

25、o stainless-steel/structural-alloy-steel bimetal produced by shell mouldcasting J.Materials and Design,2009(30):264-270.铸造设备与工艺sliding wear performances thereof JJ.Surface&Coatings Technol-ogy,2020,383.9 Musa Bilgin,ener Karabulut,Ahmet zdemir.Investigation of Heat-Assisted Dissimilar Friction Stir

26、Welding of AA7075-T6 Alu-minum and AZ31B Magnesium Alloys J.Arabian Journal forScience and Engineering,2020,45(64).1o S.Fintova,I.Kubena,L.Tr ko,V.Hornik,L.Kunz.Fatigue behaviorof AW7075 aluminum alloy in ultra-high cycle fatigue regionJ.Materials Science&Engineering A,2020,774.11张俊虎.金属复合材料在照明中的应用J山

27、西机械,2 0 0 2(S1):8-10.12苑美实,孙海明.金属复合材料在机械制造中的应用 J.科学(上接第14页)1.2.7涂料池涂料池采用3 mm的热轧钢板和槽钢焊接而砂壁成,尺寸根据所冲涂砂型和砂芯的尺寸来定。搅拌器观察口流涂管道2流涂机工作原理涂料桶管道泵流涂机工作原理(如图1所示):涂料放在涂料搅拌器内,通过管道泵输送到流涂管道,冲涂到吊挂在涂料池上方砂型和砂芯上,掉落下来的涂料在涂料池中经过过滤滤掉砂子后顺着管道流人涂料池,经过二次过滤后进入涂料搅拌器。管道泵作为循环动力以保证正常的流涂的工作压力;涂料搅拌器对存放在涂料桶内的涂料进行搅拌,防止悬浮物涂料沉淀、分层影响使用效果;两级滤网过滤,第一级用于过滤较大的颗粒,第二级滤网用于过滤碎砂。既降低了单层滤网的过滤负担,又提高了生产效率。3结束语设计了一种涂料流涂装置,充分利用管道泵作为动力,使涂料完成流涂的工作,同时在系统中完涂料池二级滤网一级滤网图1铸造涂料流涂机结构成过滤后达到循环使用,存放在涂料桶中的涂料搅拌后防止沉淀分层。该流涂装置结构设计合理,节省了成本,改善了铸造车间喷涂时污染环境的现象,同时大大提高了生产效率。25

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