（材料加工工程专业论文）铜钢爆炸复合板浸铝制取铝钢复合铸件及其界面研究.pdf

摘要 弋6 弓p 乙 ， 、 采用铜钢爆炸复合板浸铝的方法成功地制取了铝钢复合铸件，对其界面组 织进行了观察与分析，并测试了结合界面的力学性能；对两者的复合机理、复合 铸件具有较高铝，钢界面结合强度的原因及其它相关问题进行了探讨。 试验结果表明：爆炸复合在钢板上的铜层浸铝后已完全溶入铝基体中，铸件 - e 。_ - _ _ _ 。- - 。一 的铝，钢界面保留了铜钢爆炸复合时在界面形成的波形。在钢和铝熔体的相互作 用下，铝，钢界面上形成了连续的中间化合物层，在乔面附近的铝基体中还存在 块状相。对浸铝后铝钢界面组织的粉末x 射线和元素面扫描分析表明，界面连 续中间层可分为靠近钢基体的f e 2 a 5 层和靠近铝基体的f e a l 3 层，块状相则为 f e a l 3 初晶析出相，界面块状相的产生可能与铝熔体在钢基体中的晶间渗透有关。 界面观察还表明，由于基体和中间化合物热膨胀系数不同而导致的界面内应力使 得铝钢界面存在裂纹，这些裂纹主要存在于波侧面的f e 2 a 1 5 层中；退火空冷后 内应力增加时，界面裂纹向波峰、波谷和块状相中扩展。 拉剪测试表明界面结合强度可达到8 0 5 m p a 。s e m 断口分析表明，波侧面的 断口为明显的脆性断口，而波峰和波谷的断面则带有韧性断裂的特征。波峰和波 谷将界面裂纹分割开，并对其扩展起阻碍作用，从而提高了铝，钢界面的结合强 度。 a b s t r a c t a l s t c o m p o s i t ec 聃t s 、r es u c c e s s 如l l yp r o d u c e db yi i l s e n i n g a 1 1 e x p l o s i v e l y 、e l d e dc s t c o m p o s i t ep l a 主ei n t oa l u i n i n i u mi n e l t t h em i c f o s t u c t 叫e so fa l s t i m e r f a c ew e r ei n v e s t i g a t e da 1 1 di t sb o n d i n g 咖g 血w a st e s t e da sw e l l t h eb o n d i n g m e c h a n i s mo ft 1 1 ei n t e r f a c e ，t l l ec a u s eo ft l l eh i g hb o n d i n gs 仃e n g ma i l do 也e rr e l a t e d q u e s t i o n s a r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w c dt h a tc o p p e r 舀t a t ef o 咖e r l yw e l d e do nm es t e e lp l 蹴h a sb e e n d i s s o l v e di n t oa l m i l l i 啪m e l t t o t a l l y ，舡l dt h ea l s t i n t e r f h c ea f k rc 嬲t i n gr e m a i n e dt o b eu l l d u l a rl i k e也ec “s t i n t e r 矗i c ea 舭r c 】( p l o s i v e l yw e l d i n g c o 蚵r n l o u s i n t 锄e t “l i cl a y e r 埘t hat 1 1 i c k n e s s 籼u t2 0 岬a p p 删谢o n 也ea l s t i n t e r f k ea l l da l o to f b l o c k l i k ep h 淞e se x i s t e di nt h ea l u m “u mm a 晡x1 1 e 懿l ei r l t e r f 如e t h er e s u l t s o fe l e m e n ta r e as c 眦i n g 锄dp o w d e rx - r a ys p e c 姐r e v e a i e dt 1 1 a tt l l ec o n t i n o u s i n t 锄e 协m cl a y e rc o m 】m s e dt 、v od i 妇f e r e n tl a y e r s ，o f 砌c ht l l eo n e 甜s l e e l 嘲 f e 2 a 1 5a n d l eo m e r 、v a sf e a l 3 t h eb l o d d i k ep h a sw e r ea l s oi d e n t i f i e d 嬲f e a l 3 a i l dt l l e i rf o m l a t i o nw a ss u p p o s c dt ob er e l a t e d 、v i t 量it l l ei 把m o no f 也ea l m i l l i l l l i l m e l ta l o n gm es t e e lg 嘣nb o l i i l d a ud u et 0t l l e 鳓td i 般糖n c co f 血e 啪a le x p 觚s i o n b e t w e e nt h em a 垃i x 锄d 廿l ei n t e 咖e t a l l i cl a y e r s ，al o to fc r a c k sw e r ef o l m di nt h e f e 2 a 1 5l a y e ra tm er i d g e w h e n 也es p e c i m e nw 鹊c 0 0 l e di na i ra f 【e ra n n e a l m g ，t l l e c r a c k sw e r e p r o p a g a t e d t ot l l et r o u g h ，c 托s t 锄dt h eb l o c l 【l i k ep h a s n l eb o n d i n gs t r e n g mo fa l s t i n 把r f 如er e h e d8 0 5 m p a ，删c hw 船i d e n t m e d b y t e n s i l e s h e a rt e s t t h ei n v e s t i g a t i o no ft l l ef h c t u r es u r f 如es h o w e dm a t 也eb r i 砌ep a r t h a p p e n e da t m er i d g e 锄d t h ep l a s t i co n ea t t l l e 订( m g h 趾dc r e s t t h e w a v ec r e s ta n d t r o u g hs e p a r a t e d 也ec r a c k sa t i n t e 矗a c ea n di m p e d e dt 1 1 e p r o p a g a t i o no fc r a c k i n 昏 w h i c hm i g h ti n c r e a s et l l eb o n d i n g 昀嘲1 9 mo f a l s t i m e r f a c e 中南大学硕士学位论文 一文献综述 1 1 前言 在不改变铝铸件性能与形状的前提下在铝铸件的表面复合一层钢板能从根 本上提高铸件表层的力学性能，如提高表面的强度、耐磨性和抗冲击性。工程上 这种复合铸件在两个方面有特别重要的意义：一方面它能提高那些主要因表面磨 损而失效的铸铝工件的寿命；另一方面，这种复合铸件可以替代那些对部件内部 力学性能要求不高的钢制工件，大大减轻工件的重量，从而实现器件整体的轻量 化。要使这种复合材料得到广泛的应用目前还存在一些困难。其一为因在界面产 生铁铝化合物【1 。阳1 而使得钢铝界面的结合强度较低。由于钢与铝反应会在铝钢 界面生成脆性的f e a l 3 与f e 2 a 1 5 中间化合物层，这些化合物受力时容易开裂而使 界面结合强度降低；其二是目前还不能用较低的成本实现铝熔体与钢反应界面的 高度清洁。在通常的工艺情况下，钢铝界面总不可避免的存在一些会损害界面 强度的杂质。为了尽可能降低这种损害，在铝钢复合前要对钢板作必要的表面处 理，同时在熔铸时也需用惰性气体或抽真空加以保护，以免氧化产生的杂质对界 面性能产生不利影响。这些都增加了生产成本。 目前国内外对铝钢复合铸件的制备方法研究很多。为了克服铝钢复合铸件 中铁铝晃面中间化合物对界面强度的影响，制取这种复合铸件时通常会采用一些 特殊的工艺。国外采用较多的是转盘法1 1 ，2 】( 试验装置如图1 1 所示) ，此外还有 钢板复合镀银预热重力浇注【1 1 】：浸铝挤压铸造【1 2 】；镀镉浸铝重力铸造1 1 3 】；浸铝、 挤压铸造【1 4 l ；和多层喷射沉积等方法。所制得复合铸件中的铝钢界面结合强 度一般为2 0 一7 0 m p a 。虽然这些方法都可以制得具有一定结合强度的铝钢复合 铸件，但相对而言这些方法或工艺较复杂，如转盘法和压力铸造，或者成本较高 如镀银或镀镉。 本文首次提出了用铜，钢爆炸复合板浸铝铸造生产大尺寸铝钢复合铸件这一 新方法。由于钢与铝熔体的反应很快，因此很难通过有效抑制界面脆性连续中间 层的形成来提高铝钢界面的结合强度。爆炸复合工艺能使复合界面变为波形。 中南大学硕士学位论文 u l 山 幽1 1 转盘法生产铝钢双金属接头的 示意图吐1 钢部件，2 石墨保护管，3 温差热电偶，4 a 1 2 0 3 保护套，5 熔融覆 盖剂，6 铝熔体，7 a 1 2 0 3 坩埚，8 水浴 池，9 电加热炉 由于铝熔体不会大量侵蚀钢板，因此这种 波形在浸铝铸造后能保留下来，这一方面 大大增加了两种不同材料的接触面积，同 时也抑制了材料服役时界面裂纹的扩展， 从而极大地增强界面的结合强度。这样， 通过改变和控制界面形状使界砸的结合 强度得到了有效提高。 经过几十年的发展，爆炸复合已是 一种成熟的工艺，实现了大规模的工业化 生产，其产品价格低廉，质量可靠【1 6 j 。在 该工艺过程中，在两种材料被复合界面上 会产生射流，该射流能将界面两侧金属表 面的各种杂质清除干净。被复合材料能实 现完全的冶金结合1 引。铜钢爆炸复合板 浸铝过程中，爆覆的铜板完全溶入铝液 后，铝熔体就可以和完全清洁的钢板接触 并反应。整个过程几乎不需任何附加处 理，也不需要像图1 1 所示的复杂设备就 实现了钢与铝熔体接触界面的完全清洁。 由于上述优点，该工艺可扩展用于生产体 积较大的铝，钢复合铸件。 铜钢爆炸复合板具有很高的界面结 合强度，因此它可以进行诸如弯曲之类的多种塑性加工以取得合适的形状来配合 铸件的外形。铜钢爆炸复合板浸铝铸造工艺不仅可以用于制取外形简单的铝钢 接头，也可以用于在外形较复杂的铸件表面复合一层钢板。这为该方法在实际生 活中的大规模应用提供了有利条件。复合铜层有三个作用：铜有抑制铝原子向铁 中扩散反应的作用；铜的加入可使铝合金强化：铜与钢爆炸复合形成的波状界面 可抑制界面裂纹扩展，提高界面的力学性能。 2 中南大学硕士学位论文 可以看出，使用铜钢爆炸复合板浸铝方法在铝铸件表面复合一层钢板在工 艺上和经济上都有很强的可行性，它有广泛的应用前景。 1 2 钢，铝固液连接件中钢，铝界面的一般特点 1 2 1f e a l 二元相图及相关化合物的特点 图1 2 为铁铝二元相图，从中可以看出，f e a 1 二元系存在五种中间化合物。 按铁成份的增加依次为f e a l 3 、f e 2 a l ；、f e a l 2 、f e a l 和f e 3 a l 。 图1 2f e a l 系二元相图f 6 表1 1 多种f e a l 化合物的热力学数据【6 l 1 m e 咖e t a l i i c埘瑚 朋0 r j丛：。r 州耐一- jg 。，m o f _ j c 0 n u ) o u n n s f e a h f e 2 a 1 5 f e a l f e a l 2 f e l a l 9 5 6 1 6 6 7 7 3 3 5 l 2 8 2 2 8 6 9 1 9 6 3 6 1 6 9 9 9 1 1 0 9 0 _ 4 8 2 7 湖| | 耋姗狲m 蒜嚣一 中南大学硕士学位论文 表1 1 为其相关的热力学数据吃表中的数据显示，f e a l 3 与f e 2 a 1 5 的生成自由 熊最低，因此当钢与与锅熔体反应时，最有可能生艘这礴种纯含物，这也与实际 情况相符。众多的研究袭明在7 0 0 左右( 普通铝合金的铸造漱度) ，网态钢与 波态锯爱应主要黛成f e a l 3 与f 0 2 a 1 5 4 】，其它几骅纯台携只有在特殊豹袈譬下才 会出现。文献 6 】曾报导将镀铝钢材试样在1 1 0 0 保游数小时后，界面出现 f e a l 、f e 2 a l 、铅a l 纯含凌。 通常认为f e a l 3 属单斜晶系，其晶格常数为a = 1 5 4 8 9 l o 叫o m 、b 一8 0 8 3 4 x1 0 一。m 、e = 1 2 4 7 6 l o 一1 ，线澎联系数菇1 5 2 1 0 一吣一，其燕徽硬麓约为l 1 0 m p a ；f e 2 a 1 5 一般被划归为单斜晶系，晶格常数为a 一7 6 8 1 0 o m 、b = 6 4 0 l o _ 。m 、c = 4 2 0 l o 1 0 m ，线膨胀系数为1 1 9 4 l o 6 k ，显徽硬度约为 2 6 0 0 m p a l l 8 l 。也寿人认为f e 2 a 1 5 具有菱形晶系的特征，文献【1 9 】引用舒很特的工 作认为在f e 2 a 1 5 中每个单位晶格有两个骥直向上相叠的c 轴，沿c 轴上的晶格点 降全邦南键器予占据，剩余魏铝琢子窝全部铁原予楚在攀位鑫据瓣内部竣在燕辏 的侧边上。它们在c 2 的距离上以环形方式围绕着由原予沿c 轴方向构成的独立 绪褐链，滏1 3 蠢该稻3 令单彼藩疆叠薄翡模鍪。哥竣捺溯，在邈耱缩擒肇位串， 在被铝原子和铁原子准环形包围的范围内，原予沿c 轴方向具有较高的流动性。 x 射线衍射结果寝明，在上述晶格的链状结构单位中，琢子占据密度只商整体的 空往 空垃 图1 3f e 2 a 1 5 的晶体结构示意圈，实心点 为锅原子，空心点为铁原子 4 中南大学硕士学位论文 7 0 。在相互平行的独立链状结构单位中，有这样高的空位浓度，说明了铝原子 沿特定的晶体学方向具有较大的扩散能力。f e 2 a 1 7 曾被认为是一种在铝合金铸造 温度下可能存在的一种稳定化合物，但目前尚未明确其晶体结构。也有人认为 f e 2 a 1 5 与f e 2 a 1 7 可能并无多大差别，而近期的相关研究也鲜见有关于这一相的报 道。 1 2 2 铝，钢界面的一般形貌及其成因 钢与铝熔体相互作用后的界面形貌是两者之间接触和反应的结果，也是通过 一个复杂的表面物理化学过程而形成的。研究这个过程对于获得具有高结合强度 的铝，钢结合界面，制订钢与铝两种材料的复合工艺流程以及探明这两种材料的 复合机理具有重要意义。 1 2 2 1 钢铝固液反应界面的一般形貌 图1 ，4 为钢铝固液结合连接件的典型钢铝界面组织【3 】它是由文献 3 】通过 浸铝法在8 0 0 下制得的，其铝，钢结合面为5 3 删小的长方形。图中厚度较大 的f e 2 a 1 5 呈柱状长入钢基体中，在它与铝基体之间存在一层较薄的f e a l 3 层。在 图中还可以看到有部分f e a l 3 碎片进入铝基体中。 圈1 4 钢，铝结合界面组织【3 j 中南大学硕士学位论文 1 2 2 2 钢铝固液反应及界面组织形成的一般理论。 1 1 钢铝的固液界面反应 铝熔体与钢接触后首先发生的是铝熔体在钢表面的漫流与润湿【l 。良好 的浸润性是使圄液两种状态的金属产生紧密结合的首要条件，这对最终整个界面 组织的形成和性能起关键作用。拉布金和叶廖缅科系统的研究了液铝对钢的浸润 性，图1 5 是7 0 0 、7 5 0 、8 0 0 、9 0 0 下测得的液态铝对钢表面的浸润角变化曲 线。从图中数据可以看出，f e a l 系具有良好的浸润，其浸润角小于9 0 。他 们的研究还表明液态铝对钢基体有较强的粘附性。 当液铝与钢发生反应生成化合物后，界面就产生液铝和中间化合物的接触， 它们之间的浸润性对后续组织的形成也具有重要的影响。总的来说，目前对这方 面的研究还比较少，但提高液铝对f e a l 化合物的浸润性有利于减少界面空隙和 提高界面强度。 在铝液中添加能降低铝液表面张力的合金元素，可以改善浸润性。合金添加 剂对表面张力的影响取决于添加元素对铝的原子体积比。添加元素的体积越大， 图1 5 不同温度下的浸润角：1 7 0 0 ；2 ，7 5 0 ；3 8 0 0 ；4 ，9 0 0 金属与溶剂之间的表面张力下降越大，如添加s i 、m n 、c u 等。 在铝熔体润湿钢表面后，钢开始向铝熔体中溶解。一般地，一种固体在一种 液体中的溶解速度可以用n e m s t s c h u k a r e v 方程式来表示f 2 0 1 ： 等；竽( c 。) 1 - 1 出矿 、3 6 中南大学硕士学位论文 积分形式为 c ：。，( 1 一e 里) l 一2 试中c 表示t ( s ) 后铝熔体中铁的浓度，单位为g c m 一；s 表示固态铁的表面积， 单位为c m 。2 ；v 表示铝熔体的体积，单位为c m 3 ；c 。表示铁在液态铝中的溶解 度极限，单位为g c m 3 ；k 1 表示比例常数。 铝熔体在与固态钢板接触后很快就会生成各种化合物，从而影响铁在液态 铝中的溶解，使其溶解速率偏离标准的n e m s t s c h u k a r e v 方程式。即式中的k l 常数是随界面化合物的生成情况而不断变化的。 如前所述，纯铁与铝熔体反应时，一般界面上仅出现两种金属间化合物f e a l 3 和f e 2 a 1 5 。随着反应的进行，f e a l 3 口相层的厚度不断增加，从而导致k l 值的减 小；随着日相层的长大，又会发生口相层的不断溶解。因此当k 。值减小到一定 程度后又会增大。当日相层达到某一临界厚度时，铁的扩散量减少到试样的溶解 速度等于f e a l 。相层的溶解速度。在反应过程中形成的f e 2 舢5 相层由于其自身的 晶格特征而具有很多空隙，也会导致f e 2 a 1 5 的结晶碎片溶解进入铝液，从而提高 整个的溶解速度【2 0 】。 当铝液含有一定量的硅、铜时，钢在铝液中的溶解会加快，因为f e 在这样 。的铝液中饱和溶解度较高。根据1 2 式，可以看出若c 。较大，溶解速率自然也 会增大。 尽管从理论上说，根据1 2 式，液态铝中铁的浓度在无限长的溶解时间下 才能达到平衡浓度，实际上根据溶解的具体条件，在很短的时间内就可能达到平 衡。 2 ) 晶间渗透 当熔体与固态金属接触时，熔体可能沿着固态金属的晶界扩散，从而发生晶 间渗透口”。图1 6 是解释晶间渗透发生条件的示意图，根据力三角的平衡可知： 0 ，o 口= 2 ，c o s ； 1 3 其中y 。是两个晶粒间的界面能，h 是铝熔体与晶粒间的界面能，耍使晶 间渗透发生，则界面能的变化y = ，。一2 b 应为正值。较好的润湿性能减小托 中南大学硕士学位论文 有助于晶间渗透的发生。在本试验中由于铜钢爆炸复合会在与液铝接触的钢板表 层造成大量缺陷，。相应提高，所以这种晶间渗透更易于发生。 平衡状卷 - 图1 6 晶间渗透发生示意图洲 矗 3 ) 钢铝固液反应界面组织的形成 众多的研究表明钢与液铝发生作用会生成复杂的界面，所含的化合物则主要 为f e a l 3 和f e 2 a 1 5 。从表1 1 可以看出在诸种f e a l 化合物中，f e a l 3 的自由能最 低，其次为f c 2 a 1 5 。因此当钢板和铝熔体接触后，界面直接反应生成f e a l 3 的概 率大，这部分f e a l 3 有别于其后通过铁、铝原子互扩散而形成的f e a l 3 。k b o u c h e e ta 1 的研究【3 】表明，f e a l 3 层最初的厚度增加速度是线性的而非扩散生成化合物 时所特有的抛物线型生长，该层后期的生长速度则呈现抛物线型，体现出扩散生 长的特征。中间化台物层中往往会出现很多裂纹，这些裂纹可能会使部分f e a l 3 碎片进入铝液中并随之溶解或保留到最后铸件的界面中。d y b k o v l 2 】认为裂纹形成 的原因主要有两个： ( 1 ) f e a l 3 与f e 、a l 的热膨胀系数相差较大。a l ，f e a l 3 ，f e 2 a 1 5 的热胀 系数分别为2 2 9 1 0 一、1 5 2 1 0 一、1 1 9 4 1 0 一6 m m 。1 k 。这种裂 纹主要是在铸件冷却至室温时形成的。 ( 2 ) 反应物与生成物的体积不同。如生成f e a l 3 层，与反应物相比总体积 会减少3 。值得注意的是这种裂纹往往是在反应物生成时产生的， 因此更容易在化合物中间层中引起碎片，使其溶解入铝液中并导致化 合物层厚度的减小。 除了由于反应而在界面生成的f e 灿3 之外，当铝熔体中的铁含量大于其溶解 8 中南大学硕士学位论文 度时，由于f e a l 3 的自由能最低，它会从铝液中以针状或块状直接析出2 2 23 1 。 钢表面f e a l 3 层的形成阻碍了铝与铁的直接接触，因此合金层的进一步生长必须 在铝原子穿过f e a l 3 层的条件下进行。此时，因为铁原子的扩散占次要地位，以 及随着界面钢侧铝含量的减少，可能会出现最初的f e 2 舢5 晶核。最初f e a l 3 和 f e 2 a 1 5 相的结晶取向并不一定都是无序的，但由于f e 2 a 1 5 晶体结构的特殊性( 如 上所述) ，其晶体在生长之后开始沿c 轴以很快的速度生长，并形成柱状结晶区 域。当铝原子进一步扩散时，f e 2 a 1 5 相又转变成f e a l 3 相。随着f e 2 a 1 5 相的生长 及铁向铝中扩散，最终使得铝在铁中的固溶区几乎消失。 1 2 3 合金元素对铝，钢反应界面组织的影响 钢与铝熔体相互作用后的界面组织无疑受到铝熔体中所含第三组元的影响。 本研究所使用的铝合金中含有一定量的铜和硅，考虑它们对最终界面组织的影响 是十分必要的。 ( 1 ) s i 的影响 一般认为在铝液中含有一定量的硅可以减小钢铝界面中间化合物层的厚度 【1 9 l 。例如在钢材镀铝工业中控制合金层长大的常用方法就是在铝液中加入6 1 0 的硅，它在减小合金层厚度的同时还可以使合金层与基体之间的界面变得平整 ( 1 8 l 。不过目前其机理还不很清楚，可能是由于在界面形成的含硅的化合物层阻 碍了铁铝之间的互扩散所致。对其界面组织的研究表明界面由三种不同的连续中 间相层组成，从铝基体开始依次为f e 2 s i a l 7 ( t 5 ) ，f e a j 3 ( e ) ，f e 2 a 1 5 ( q ) ，其中 t 5 相与基体的连接界面很不整齐。在7 0 0 左右，f e 2 a 1 5 与铁基体的界面还比较 平整，随着温度的升高该界面变的越来越不整齐【1 9 。 本试验所用铝合金中硅含量仅为o 8 ，因此在界面形成明显奶相层的可能 性不大。 ( 2 ) c u 的影响 为了提高铝基体强度起见，作者选用了含铜铝合金，同时为了不对铸件性能 9 中南大学硕士学位论文 产生太大影响选择了纯铜板与钢爆炸焊接。这一方面是因为铜钢板爆炸焊接工 艺魄较袋熬，易于实现，雯一方瑟瞧是势了配合镪蒸薅孛瓣镪合金元素。嚣魏铜 对界面组织的影响在本研究中尤其熏要一熄。 强嚣关于铜对铜与镪熔捧赛瑟反应影响静磷究还e 较少，一般认为铜谯可戬 减小钢铝中间层的厚度，但其效果没有穗那样显鬻。如镀铝时，当铝中禽有2 5 的铜时，化合物连续中间层一般可减小为2 2 2 7 蚪l 【1 9 】。 根据三元相图，当铝熔体中含纛一定量的铜、礁时，铁在铝熔体中的饱和溶 解度会变商。这会蜉致更多的铁从钢扳溶入铝基体中，在凝固时也裔更多的f e a l 3 从滚渡中掇出。 1 3 爆炸焊接的基本概念和般特点 爆炸爝接工艺发展到现在已经商几十颦酶历史，其工艺和理论郄日趋成熟。 爆炸焊接的能量来源是炸药的化学能。这种化学能在爆炸焊接过程中发生多种和 多次黔黢爨转换、吸收、传递和努酝，最瓣实现金属阕敬壤金结合旧。特嬲夔， 整个过程历时极短，在时间上以微秒计。爆炸焊接中使用的炸药多为铵盐和铵油 粪戆低速滋台薅瑟，它稻荔褥、蘩徐、安全窥谴群方霞。 与其它常规焊接方法相比，爆炸焊接不仅能焊接物璎和化学性能相同、相 遥豹金属缀合龟黥焊接毪髓相差悬殊豹金耩组合。其操谗不需要器赛豹设备，也 不需要复杂的工艺。实际上，只要霄炸药、金属材料和一块开阔她( 爆炸场) ， 戳及为数不多的辅助设备和工具就能顺利进行生产。 总的寒说，爆炸焊接缀合区在微观上融合了隧力爆( 塑牲变形) 、熔健焊稻 扩散焊的特性，为不同基体金属原予之间的结合提供了更好的条件，两种盒属的 缝台强度遴鬻不低予基耪中麴较弱密。这撵，这类复合耪糕往簌戆经受餐镣嚣续 的校平、转筒、切割、焊接、冲压等机械加工。从本项研究的角度来讲，爆炸焊 接豺瓣静霹变形蕊菠它撬鬻好的配合铸俘辫形，西诧可将铜板复合在形状笈杂铸 件的区域和表面。 1 3 1 爆炸焊接中不同金属间的结合 1 0 中南大学硕士学位论文 图1 7 是两种常用爆炸焊接工艺示意圈。图1 7 ( a ) 是倾斜放置爆炸焊接法， 1 7 内) 楚平行蔽嚣法，i 7 ( e ) 袭示平褥液置辩瓣焊接j 蕊程。簿药经过弓| 瀑器 ( 一般为黼管) 引爆后，自左向右以爆轰波速度v d 传播。如果布药均匀，控制 褥强，在鞭离弓l 璨端不远熊，缫速砜鄄蜀达到稳定。悬鬣薇耪( 簸称飞板或 复板) 在爆轰产物压力作用下以速度v ，向下飞行，通常v p 的准确方向预先不 易测定，一般假设它垂直于弯折角o 的平分线，如瀚1 8 所示。随着爆轰豹进行， 碰攘点c 墩以速度v 。自左向袁行进，在飞板平行放置的情况下，v 。= v d ，如果 对撼板加一负方向的速度一v 。，则碰撞点c 就静止不动。在这样的坐标系米说， 复叛 差皓 l = 要 i 鼙| ，7 矮肄蔓食示意嚣 ( a ) 倾斜放燮爆炸复台法 熨多，而程波峰和波谷处( 图中b 、c 所豕) 则更多的显泳出部分韧性断裂的特 征。 前文对界蔼裂纹的分析观察( 3 1 2 ) 袭明，由于残余_ 陂力的作用，铝钢界面 在拉剪测试前已有裂纹。这些裂纹在未经热处理时主要集中予波形界面的液铡萄 南大学硕士学位论文 幽3 1 5 拉翦测试肝的断口膨貌( a ) 锅侧( b ) 钢侧 处许半行f 界面，腻i l 型裂纹。从拉剪断口的形貌看，波侧面上的断裂为脆性 断裂，这琏应当是拉剪测试时试样受力后界面的裂纹源。般的来讲，盒属间化 台物的断裂为脆性新裂，i f i ：波脊和波谷的断口带有更多韧性断裂特征，因此有可 能波侧面上的界面裂纹在受力扩腱后在波谷与波峰处进入铝基体，这种情况和试 样加热卒冷后的裂纹情况有所小同。 中南大学硕士学位论文 图3 1 6 拉剪断口铝侧高倍s e m 图像 3 5 铜，钢爆炸复合板浸铝铸件界面的力学性能 图3 1 7 为在垂直界面不同位置所测得的显微硬度。由于连续f e a l 3 层较薄 量a i l ” 铝基体 f 。 i 钢基体 瑚。l 。一一、 q ，| 1 、一1 0 0”o- 口ooi 2 啪 鼻砷( p m ) 图3 1 7 垂直界面的显微硬度 因此没有测得连续f c a l 3 层的硬度。测得f e 2 a 1 5 中间层的维氏硬度值为8 0 0 ，界 面附近块状相的维氏硬度值为6 0 0 。这些硬度值与文献中的【2 0 1 数值有不同，这是 由于f e 2 a 1 5 层有很多空洞，而f e a l 3 块状相又处在较软的铝基体中，因此测得的 中南大学硕士学位论文 值与真实值会有较大偏差。图中钢基体和铝基体硬度值并没有随距离界面的远近 而发生明显变化，这进一步说明基体中的溶质是相对均匀分布的。表3 1 和3 2 是用拉剪和冲击方法测的复合铸件铝钢界面的力学性能。从表中可以看出采 用铜钢爆炸复合板浸铝方法制得的铝钢复合铸件具有一定的强度，可以满足某 些场合的实际应用。可以预期，通过进一步改善工艺，如调整铸造温度和铸造时 间，以及改变界面的波形参数等，界面的力学性能可以被进一步提高。 表3 1 铝钢复合板铝钢界面的拉剪强度 试样剪切强度o m p a平均值 试样1 8 0 5 巴a8 0 1 3 7 m p a 试样2 8 0 2 5m p a 表3 2 铝，钢复合板铝，钢界面的冲击实验结果 试样平均值( j c m _ 2 ) a i ( j ，c 皿喈) 试样l 3 9 64 0 5 5 试样24 1 5 3 6 综合分析与讨论 3 6 1 铜，钢爆炸焊接对铝，钢复合铸件的影嚷 3 6 1 1 爆炸焊接清洁铝，钢反应界面 铜、钢板进行爆炸焊接时，在高温高压的条件下能在它们的界面形成一股射 流，这股射流可以将约为平板厚度l 3 左右的金属层从表面剥离，这种剥 离过程使铜、钢板表面的氧化膜和吸附气体被彻底的清除干净。在随后的铜钢 复合板浸铝铸造时，当爆复铜板完全溶解于铝熔体之后，铝液就可以和清洁的钢 板相接触并发生相互作用。从图3 1 中的铜钢爆炸复合扳界面组织s e m 图像中 及图3 2 的面扫描图中可以看出，界面基本上是完全清洁的，两边金属几乎不存 在互扩散；对浸铝铸造后的界面组织的观察( 图3 5 ) 也表明铸造后的铝，钢界面 基本不存在钢或铝的氧化物。这对于提高界面结合强度无疑是十分有利的。 由于钢板在空气中极易氧化，为了避免铝钢反应时钢的氧化物对界面强度的 中南大学硕士学位论文 不利影响，先前的研究中大多采用保护气氛或抽宾空【卜舯，这极大地提高了制造 铝钢复合铸件地成本，从一个方面阻碍了铝，钢复合铸件的广泛应用。由于爆炸 焊接已是项成熟的技术且成本低廉【1 7 】，因此采用爆炸复合板作为先期的钢板 处理工艺在技术和经济上都是十分有利的。如在本实验的整个浸铝铸造过程中并 未采取任何特殊措施就得到了清洁的铝、钢反应界面。 3 6 1 2 铜钢爆炸复合板的预退火对铝钢界面组织的影响。 由于爆炸焊接本身的特点，距界面距离不同的组织承受的变形量不同。从 图3 1 可以看出在本实验的预退火制度下，近界面的钢基体组织由于变形程度大， 再结晶形核率高因而其晶粒十分细小。由于铝熔体可以润湿钢基体并发生晶间渗 透，细小的晶粒使铝液在发生晶间渗透后能轻易的将晶粒带入铝熔体，使界面附 近铝熔体中的铁含量迅速升高。这带来两个后果： ( 】) 界面中间层的增厚。先前的研究表明铁含量高的铝熔体与固态钢 反应所生成的中间层厚度要较铁含量低的为厚f 1 - 5 】。而较厚的脆性 中间层对界面结合强度是不利的。 ( 2 ) 导致界面f e a l 3 块状相的生成。界面铁含量的升高会导致f e a l 3 初 晶相在界面上择优形核直接从铝熔体中析出。在一定的条件下它 们呈现块状，一部分附着在界面连续层上，一部分则单独存在与 铝基体中，如图3 1 0 所示。显然这些聚集在界面的脆性颗粒相对 界面的结合强度也是有害的，尤其是它们自身也往往含有裂纹， 如图3 1 l 所示。 针对以上两点，在铜锕爆炸复合板进行退火预处理时应尽可能使钢基体界 面变形组织再结晶后的晶粒充分长大。这一方面可以尽量消除界面组织中可能残 留的微观缺陷，一方面也可以尽量避免钢基体中的晶粒因晶间渗透而直接进入铝 基体。 3 6 2 爆炸焊接的界面波形对铝，钢界面组织及对结合强度的影响 3 6 2 1 界面波形对铸造过程中的界面传质的影响 界面波形情况下铝熔体与钢基体作用时物质传输方式有其自身的特点，这对 中南大学硕士学位论文 整个界面组织的形成都有影响。 在本实验条件下，波形界面将整个铝熔体分为非对流区和对流区，如图3 1 8 中a 、b 两处所示。由于整个铝熔体体积较大，浇铸和随后插入铜，钢复合板时 不可避免的会引起铝熔体液流的紊乱，形成对流。在这一区域内，熔体中的各种 物质可以通过液流直接在整个熔体内输运。由于对流传质比扩散传质速度要快的 多，虽然各种元素的扩散仍在发生，如c u 在铝中的扩散，但在整个对流区内， 起主要作用的是对流传质。在波形界面处，尤其在波峰内( 如图3 1 8 中a 3 1 8 界面传质示意图。界面阴影部分表示f c 在界 面的偏聚区域，a 处的阴影厚度大于c 处的厚度 处所示) ，由于波形界面对熔体流动的限制使得波峰内的熔体不能进行有效的流 动，无法产生对流，因此在这一区域内，各元素的输运主要靠元素的扩散作用， 由此这一区域内的各元素输运速度比对流区内的要慢得多。如果这一区域的某种 原子( 如f e 原子) 由于扩散速度较慢而不能迅速进入对流区的铝熔体，那么就 会在该区域形成偏聚，如图3 1 8 中的界面阴影部分所示。图3 1 8 中，同样在波 形区域内的波谷处熔体( c 处) 由于直接和大体积熔体相连，因此那里的物质输 运较之于波峰处要快，偏聚现象不会有a 处的严重，因此a 处的偏聚层厚度要 比c 处的厚。 本实验中，当铜，钢复合板浸入铝熔体后，铜在铝熔体中迅速溶化。由于铜 在铝熔体中的扩散系数较大，波形区域内的铜原子可以通过扩散迅速进入对流区 的铝熔体，通过对流作用输运到整个铝熔体中。它不会象界面的f e 一样在界面 形成偏聚层，这从界面铜元素的面扫描图( 图3 4 b ) 中可以看出，面扫描表明 4 7 中南大学硕士学位论文 铜元素在界面上并没有偏浆的现象。 3 。6 。2 - 2 界颟波形对界面化合物形成和分布的影响。 鲡上掰透，波形赛甏胃戳导致赛嚣上不目元素戆 均匀分蠢，这显然会影 响界面中间化合物的形成和分布。波形界顽不能使在铝熔体中扩散较快的铜在界 蔼至形成偏聚，困脱在养灏上不太霹能形成大量的含铜纯会耪。遮和对界馘缀织 相分析所褥的结果是一致的。从界面显微硬度的测试结果瓣，铝基体中的鼹微硬 度并未因与界面躐离的变化而变化，这说明铜己完全溶解，并较均匀豹分布在铝 基体中。羹予在连续中间艨和铝基体之间的一薄层食铜物璇，其厚度与铝技晶闻 的c u a l 2 厚度相：i 驻，可以认为是铝熔体凝霹时在界面最后凝固豹离异共晶组织。 赛嚣瓣近溶瓣魏铁蠢予扩数速瘦较蠖覆在赛霹形成镶聚，遮镬褥巽疆上静 铁铝化合物连续中间层厚度增加，同时为a j 3 块状相在界面的形核析出提供足 够鹣铁琢予；壶予渡峰院波谷更荔予形藏元素戆编聚，因鼗褥爨豹f e 越3 多集孛 在波峰处。但波峰与波谷处的界面中间层厚度相麓不多，遮说明本研究中界面中 测层的形成是扩散反应控稍的，其制约因豢是反寂速率，在界面各处紧靠界面豹 扩散传质鼷中铁朦子浓度棚差不大。事实上在波豁处( 图( 3 1 0 ) 中a 处) 也普 遍池现了f e a l 3 块状相，这说明波貉处紧贴界面的一层铝液中也有相当的铁浓度。 匿3 1 9 燕当爨瑶波长增擞时，在阕一工艺下卷褥瓣铝，镪篾舍铸馋瓣爨嚣缀缀。 当界面波形的波长从4 0 0 h m 增加到5 5 0 m 后。从图中弼_ 以看到界面连续层的 簿度变，l 、，阕露f 。a 1 3 袋获褶戆鼗霾交少，虿骧餐建，当赛覆波形波长变大，赛 面变得较平坦时，波形界面对f e 冗素的聚集作用楚弱。元素熨翁于进入对流 送的铝璐伴+ 并髓后输运戮整个锻熔体串，这徉器蔷f e 嚣素瓣浓度下簿，连续 中阅层良镪熔体中溶解驰更多，其厚度交小：而f e a l 3 的析出也由于铝熔体中f e 古蹙的减少而相成减少。 3 + 6 2 3 赛嚣波形蠢助于掇蕙界蘧的结合强度 铝钢界面的有效结含在于铝和钢的相互作用。当界灏为波形时，铝、钢之 阙懿毒效接魅瑟羧逡大，簌露馒努覆豹强发褥熬撼囊。实辩上枣予枣效接触霭积 的增加，界萌开裂时外界糯做更多的功，以克服断裂后新增的表预能 韶强3 1 3 瑟示，在潮遥太足寸麓锚镶复台锩箨露，癫予鏊侮、赛愁纯会戆 中南大学硕士学位论文 之间的热膨胀系数相差太大的缘故，由内威力引越的界面裂纹很雅避免。当界面 为波形时，在蠹威力静作蠲下，裂纹最先存在予波侧嚣。从试验懿缝果看，裂纹 图3 1 9 不同波形参数下的界面s e m 像 扩展在波蜂和波谷位置( 黧3 。1 3 ) 受到掷镱l ，裂纹只蠢在黧蓑获褥驱动力豹壤掇 下才能( 如热处理后空冷) 越过波峰波谷的限制谶步扩展。拉剪试样的断口图 像表爨，波学楚必甥显赘耱牲凝裂覆波峰波签娃戮璺瑗毽朝攘凝袋懿将缝。这说 明界面波形的存在对于复铸件受力时界蕊脆悭连续中闯相层中的裂纹扩展有 搠镧佟用，麸焉臻强了葬覆静结会强度。 对界颇组织嬲察表明界面的缩合状态并不很好，不仅有连续的和块状的中 闯纯合耪，在整个界面还有很多裂纹，假拉剪测试衰弱界面寿较好静缩禽强度 ( s o 5 m p ) ，界嚣波形在其中露能起了主爨的作熙。 3 。6 3 鬃瑟在镪扳上翡铜鼷对浸锻铸造孵锻壤结会器嚣形成熬影响 从圈3 4 b 的铜元素筒扫描来看，爆簸铜层融完全溶于铝基体。铜元索在铝 璐体孛较浃扩散速率冒缓其挟速滋入锯熔体鹣对流区，逡褥稳运爨整令锱蓥馋， 中赢大学琰学位论文 溜越秀甏没有黢攫镄德浆，甥瑟器嚣组织豹影酾不大。擐据文献【1 9 l ，套键熔体 中含有一定量的铜可以抑制界面连续层的生长，这部分的是由于铜的溶解减少了 镪溶藩与钢基毒豢 睾焉豹辩阉。本疆宠中器瑟豹遗续中阕鬃_ 萃度只毒绞2 0 黏l 整，大 大小于先前研究( 约3 0 一6 0 um ) 中的数据，爆复铜层可能起了重要的作用。较 小酶秀舔中闻纛簿度霹撬商乔舔强度无疑是有利貔，霞j 墩可醵逶警提离器嚣矮复 铜层的艨度以提高浸铝铸件中铝钢结合界面的强度。 3 。6 。4 铜镧撰炸笈合叛凝铝铸造过程中的界嚣反应机制 从前面的研究结果可以推得，当锕，钢爆炸复合板没入铝熔体后，疑先发生 豹是镯在锯中鲍溶孵，葜溶解逮魔基本符合n e 瞄扛s c h 波鞠w 方程。铜农铝熔体 中连续溶觯，在扩散进入铝熔体对流区厝，借助对流作蹋输运到整个锱熔体中。 当锶完余溶鳃爱，铝熔体与钢蘩体接触。由于镪熔体可以润湿钢基体，且钢与镪 熔体界面附近的晶粒极细小，锅熔体在钢基体中的晶问渗透作用使得一部分钢晶 粒塞接进入铝熔俸，随薅溶解予铝熔体。由于f e 在铝熔体中扩散较慢，溶解度 低，它不能很快扩散进入铝熔体对流区，从而在界面形成偏聚。由_ l 篼在界面附近 f e a l 3 农界面优先形核囊接从铝熔体中孝斥出。铝谯钢中的体扩散还可在镧，铝界面 形成一滕f e a l 3 连续层，随着扩散的避步进行，f e 2 a 1 5 由予箕鲁身的蘸俸学特 点优先沿其c 轴星柱状长入钢熬体，形成靠近钢基体的f e 2 a 1 5 递续层。在这一层 连续层巾，由予晶体本巍空位较多，因稀最看在该层牵寿较多空溺，它髓胃能憝 由这些嶷位聚食而成而a l 在其中的快遽扩散也可能对其有影响。由于界面的谶 续f e a l 3 层氇蜀舔分酌熔于锅熔体，飘冀本赛器碎袭，因藏京莽嚣形较轿交豹 f e a l 3 颗粒会由此而脱落进入锅熔体，造成圈3 ，1 0 所示的界面颗粒相组织。波峰 笼因范波谷憝嚣容器形成。元豢德蒙，冀f e 触3 颡羧数霹要多一些。 中南大学硕士学位论文 结论 i 本研究首次采用退火锅钢爆炸复合税漫铝的方法成功地制取了铝钢复合铸 律，箕镑，镪器瑟维会强度达鞠8 0 。5 瓣8 ，簿予采其l 般方法掰薅到豹2 0 7 0 m p a 的铝钢界面结合强度值。 2 爆复铜层有利于钢，铝的结合。铜层在铝熔体中的完愈溶解缩短了铜板与铝熔 体的相互作用时间，减小了界面中间化合物层的厚鹰，进而提高了眷面结会 强度。本实骏条 牛下爨瑶连续中闽屡的厚度约为2 0 脚，面采用其它方法得到 的中间层厚度一般都在3 0 ”m 以上。 3 铝钢界面过渡层中铁铝化合物的种类与钢繁体界面距离有关。该过渡层是钢 与韬熔俸褶嚣作霜瀚结采，箕形成受疆者溺反应速率控翻。锫涪毒搴农镶串懿 晶阋渗透使部分钢懿粒进入铝基体，并在界筒产生f e 的偏聚，这为铝熔体与 钢的反应稳供了足够的f e 骤子。最终在锴掰l 界面黛成了靠遥铜基体懿f e 2 a l s 连续层和靠j 垃铝基你的f e a l 3 连续滕，券在界蕊波形区域析出了f e a l 3 块状初 晶相。 4 波形界面有利于界谳结合强度的提高。( 1 ) 波形界丽改变了界面的传质路径， 使f e 在赛甏瓣波蜂处产生邂严重熬镶聚，获褥在波蜂楚形残铰多豹f e a l 3 块 状初晶相；( 2 ) 波形界面提高了铝旗体和铜基体的接触面积，并使锅，钢界丽 裂纹交得不连续，献褥傈证了界面其有裰当嵩静强璇。由予弄匿缀液穆之溺 的热膨胀系数相差较大，铸件凝固詹在界面容易产嫩裂纹。受波形界面残余 应力场的影响，界筒裂纹平行于波形界面，它们被波峰和波谷分隔歼。这释 不建续豹器嚣裂纹不剩于已存在裂纹的扩展，因此拔之子平直界颟上的裂纹 更裔利于撮高界面结合强度。 中南大学硕士学位论文 5 铝钢结合界面载后的失效是原始裂纹沿波形界面扩展的结果。由于铝，钢界面 f e 2 a 1 5 层的厚度较大且空洞较多，界面裂纹最初在波侧面的f e 2 a 1 5 层中形 成。加载后这些裂纹沿波形界面扩展，最终相互连接导致整个铝钢界面的 断裂。 中南大学舔士学钕谂文 致谢 本论文是程导师张新明教授的精心指导下究成的，导师严谨的治举态度，