基于液/半固态铸造复合的5083/AZ31B层状复合材料界面研究

刘 力，朱永长，张圳炫，王 迪

（佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

汽车、航空航天、家用3C等领域对材料性能的要求逐年提高，镁合金对比其他材料具有密度小、比强度高、比刚度高、导热导电性好以及阻尼减震性能和降噪效果优良等优点，因此镁是其中的首选材料[1]。但镁合金的耐蚀性低、废品率高等原因，使得镁合金的应用前景受到了限制[2，3]。为了改善镁合金的耐蚀性，拓展其应用范围，制备出了铝/镁复合材料。铝/镁复合材料不仅具备铝合金的高耐腐蚀性能和优良的加工性能，也具备镁合金的质轻、阻尼减震等优点，其结合了异种合金高强度、耐腐蚀和铸造性能优异等优点，因此对于耐蚀铝合金/变形镁合金的优质、高效连接的研究具有极高的学术价值和应用前景[4]。

国内外学者对此做过研究，通常采用扩散连接[5]，搅拌摩擦焊[6]，轧制[7]和爆炸焊[8]等方法来制备铝/镁复合材料。轧制复合方法是通过强大的机械力使得接触面破裂从而复合的方法，但仍属于机械结合的范畴无法实现冶金结合[9]。焊接方法由于对板材尺寸有要求，且铸造气孔较多，颗粒分布不均匀，易偏聚，因此无法实现大面积的冶金结合[10]。爆炸焊接法因为噪音较大和生产过程较为危险等原因无法成为最佳复合方法[11]。相对于上述方法而言，铸造复合法具有能耗低、成本低、生产工艺简单等优点，可实现两种金属合金间的冶金结合[12]。

本文以铸态5083铝合金和铸态AZ31B镁合金作为原材料，采用液/半固态铸造复合方法，制备出5083/AZ31B层状复合材料，研究了复层材料复合界面的微观组织和显微硬度。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

以铸态AZ31B和5083为原料，其成分如表1.

表1 AZ31B和5083的化学成分（质量分数，%）

图1 激冷材料条件下5083/AZ31B层状材料浇注工艺示意图

1.2 试验方法

采用2台SG2-5-10型井式电阻炉，同时加热到720℃熔炼5083铝合金和AZ31B镁合金。熔融的金属精炼除气后静置保温10 min，待温度降至680℃后除渣并浇注，浇注温度为670℃.浇注工艺如图1所示。采用液/半固态铸造复合工艺，首先为了保证先浇注的5083铝合金在纵向存在较大的温度梯度，控制金属液的凝固方式，需要在铸型型腔底部预先放置激冷材料对铝合金进行激冷。铝合金液沿浇口杯Ⅰ浇入铸型型腔，浇注后的铝合金液在激冷作用下，垂直方向产生较大的温度梯度，因此5083合金自下而上逐层凝固。当铝合金下部已经凝固时，上表面仍可以存在半固态区。从观察口伸入测温枪，测试温度达到固相线温度574℃左右时，其凝固末期上表层形成半固态区，然后沿浇口杯Ⅱ浇注AZ31B镁合金液，AZ31B液相与5083合金半固态区内液相直接接触，从而使AZ31B与5083冶金结合在一起。

对制得的5083/AZ31B层状复合板进行线切割截取金相试样，金相试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，将试样截面选用型号为：400#，600#，800#，1 000#，1 200#，1 500# 和 2 000# 的砂纸依次打磨后，采用粒度为0.5 nm的金刚石抛光膏抛光至镜面，在酒精中超声清洗后用自制的金相腐蚀液蚀刻，再经过酒精冲洗、超声波清洗后在Olympus GX71型金相显微镜上观察组织。使用D8 ADVANCE型X射线衍射仪（XRD）分析物相组成，采用铜靶，Kα射线，加速电压40 kV，加速电流40 mA.使用HXD-1000TMC型显微硬度仪测量硬度，载荷为100 gf，保荷时间 10 s.

2 试验结果与分析

2.1 复合界面微观组织

图2所示为5083/AZ31B层状复合板界面区域的显微组织照片。图2a）中可以看出层状结构的分布较为明显，颜色较暗部分为AZ31B镁合金基体，颜色较亮部分为5083铝合金基体，而且镁基体与铝基体之间出现有别于二者的中间过渡区域。图2b）中可以看到中间区域的微观形貌与铝基体以及镁基体均有所不同，初步判断该区域的物相不同于二者，形成原因为镁合金与铝合金在浇注过程中，元素相互扩散结合形成的反应扩散层。图2c）为镁合金基体的显微组织形貌，呈片状结构，图2d）中铝合金晶粒表现为均匀细小的圆棒状。观察反应扩散层分别与镁基体、铝基体的扩散结合处，层界面的分界线非常明显，初步得出结论，预先浇注的5083铝合金在激冷作用下，由于过冷度较大，晶粒来不及长大，形成均匀细小的棒状结构。中间区域是由于半固态的铝合金重熔，元素之间相互扩散产生了大量细小而弥散的金属间化合物而形成，其平均厚度为38 μm.

图2 5083/AZ31B复层材料界面显微组织

2.2 XRD分析

图3 为5083/AZ31B复层材料的X射线衍射分析图谱。复层材料的界面扩散区域主要形成了两种金属间化合物，Mg2Al3和 Mg17Al12.图中 2θ值为37.1°、58.88°、64.04°的衍射峰可标定为Mg2Al3相。除与Mg2Al3相对应的衍射峰外，图中2θ值为47.94°、68.38°、72.24°位置出现强度较弱的衍射峰可标定为Mg17Al12相，Mg17Al12金属间化合物是在复合过程中Al元素在靠近Mg合金一侧伴随空位或置换扩散机制而形成的。在扩散连接的过程中，A1原子占据原来Mg元素的点阵结构中的空位或与Mg原子进行置换，在连接界面过渡区靠近液相镁合金基体一侧很窄的区域内Al原子的浓度较高并达到稳定状态形成Mg17Al12金属间化合物。复合层主要以 α-Al、β-Mg、Mg17Al12和 Mg2Al3组成。由于Si元素添加量较少，大部分以固溶的形式存在于β-Mg基体中，故而未发现含Si元素的衍射峰。结果表明试样在浇注过程中5083与AZ31B之间发生了元素间的相互扩散，形成了Al-Mg金属间化合物。

图3 5083/AZ31B复层材料扩散层的XRD图谱

2.3 显微硬度测试

对界面附近进行了显微硬度测试，由图4可以看出，随着距离的增加，层状复合材料的硬度先升高再降低。结合图3可知，外层为硬度较低的5083铝合金铸态组织，约为44.5 HV.镁合金液的浇注温度较高，使本已形成半固态的铝合金表层重熔，二者元素之间相互扩散，扩散层位置的Mg2Al3和Mg17Al12等金属间化合物含量增加，表现在中间区域反应扩散层的显微硬度值急剧增大，达到硬度峰值，其显微硬度值220 HV，铸态AZ31B合金基体显微硬度的平均值为54.2HV.5083/AZ31B材料的复合界面显微硬度变化与其组织结构相一致。

3 结论

1）通过液/半固态铸造层状材料制备工艺，实现金属间的冶金结合，制备出了5083/AZ31B层状复合材料；

2）AZ31B镁合金的平均显微硬度约为54.2HV，5083铝合金的平均硬度约为44.5HV，扩散层主要由金属间化合物组成，其硬度最高可达到220 HV.

图4 5083/AZ31B层状材料的显微硬度随距离变化的曲线

3）5083/AZ31B层状复合材料界面形成反应扩散层，扩散层由α-Al固溶体层、元素扩散层（Mg2Al3+Mg17Al12）及β-Mg固溶体层组成，形成了具有多层结构的冶金结合界面。