铝基层状复合材料界面金属间化合物的研究现状

随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现,特别是高、精、尖技术的迅速崛起和发展,各国对工程材料的需求也越来越广泛,对材料性能提出了越来越苛刻的要求。因此传统、单一的金属材料的应用领域受到很大的限制,越来越不能满足高新技术的发展要求。近年来,能源和资源的消耗日渐增多,许多矿产资源日益枯竭,为了节约资源和能源,减轻产品质量,环保绿色的复合材料已成为主流发展方向。异种金属复合材料通过选择不同的组元层,可具备多种优异性能,以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热导电等特殊要求。目前,金属基复合材料在石油、机械、化工、电子及家用电器等许多领域得到了广泛应用。铝基层状复合材料兼具铝合金的耐腐蚀、高导热、低密度和其他组元层的优良性能,如不锈钢耐腐蚀、铜高导电导热散热、钛耐高温冲击耐腐蚀、镁低密度优良电磁波屏蔽性能等,可满足多种特殊使用要求。铝不锈钢、铝镍及铝钛复合材料的应用,可节约Cr、Ni、Ti等稀贵金属。为了使铝基层状复合材料具有良好的界面结合性能,异种金属复合后,通常进行扩散退火,然而异种金属扩散退火过程中若层状复合材料界面有金属间化合物生成,将会损坏组元层间的结合强度,甚至分层,严重影响复合材料的使用性能。因此,研究界面金属间化合物的形成及生长是开发铝基层状复合材料的关键。本文较为系统地阐述了常用铝/不锈钢、铝/钛、铝/镍、铝/铜、铝/镁五种铝基层状复合材料界面金属间化合物,介绍了界面金属间化合物相的组成及生长动力学,并给出了五种铝基层状复合材料界面化合物的生成条件。同时,揭示了铝基层状复合材料界面金属间化合物初始形成过程,包括金属相互扩散、到达最大固溶度后初始相的形成、金属间化合物不同相间的转变及金属间化合物厚度的增加,得到了界面化合物厚度与扩散退火时间和温度的关系,金属间化合物层厚度(X)与时间(t)之间的关系满足公式:X=kt^n(n为动力学指数)。此外,本文就Si对铝镍、铝钛层状复合材料界面金属间化合物的影响进行了预测。

层状复合材料界面结合强度非传统评价方法

简要总结了层状复合材料界面结合强度的非传统评价方法。非传统界面结合强度评价方法包括:波振法(激光层裂法、应力波法、超声波法、电磁波法)、划痕法(激光划痕法)、辅助分析法(X射线衍射法、有限元法、解析法)和其他方法(电阻法)。波振法是将载荷以冲击波的形式施加在界面位置处,实现复层和基体分离。划痕法是将高能激光作用于复层,分离界面,实现界面结合强度的测量。电阻法通过建立界面电阻和界面强度之间的关系,评价界面结合强度。与传统界面评价方法对比,非传统评价方法有特殊优点:对材料的破坏程度小,有效抑制材料的弹塑性变形,测得界面强度接近界面本征强度。但非传统法也仍存在一些亟待解决的问题,随着新材料的不断出现,需要不断改进现有测试方法,使界面结合强度评价方法向着简单易行、无损、自动化的方向发展。

薄复层层状复合材料界面结合的定量评价方法

主要针对复层厚度较薄的(如小于0.5 mm)的层状复合材料界面结合的定量评价实验方法进行了回顾和总结,评述了各种方法的优缺点并分析了各种方法的适用条件和应用范围。随着计算机技术水平的不断提高,有限元数值模拟技术在层状复合材料结合性能的评价分析中起到了越来越重要的指导作用。随着人们对层状复合材料界面结合认识的逐渐深入以及新的分析评价技术手段的不断涌现,层状复合材料界面结合性能检测的精度将不断提高,理论模型会不断完善,层状复合材料界面结合的评价也会逐渐向定量准确、容易解析、无损检测、易于实现自动化和标准化的方向发展。

金属层状复合板焊接研究现状与展望

介绍了金属层状复合板的特性及应用,阐述了金属层状复合板的焊接难点、焊接坡口及焊接标准,总结了不同厚度金属层状复合板的焊接方法。指出开发复合薄板及多层金属复合板的焊接技术是未来金属层状复合板焊接领域重要的研究方向,对推广金属层状复合板的应用具有重大意义。

石墨烯铝基复合材料的研究进展

关于石墨烯增强铝基复合材料的研究已成为当前金属基复合材料的热点课题。就目前石墨烯增强铝基复合材料的制备方法、力学性能以及导热性能等进行了简要的介绍。重点阐述了不同制备方法对该类复合材料性能的影响,并对石墨烯增强铝基复合材料的工业化应用前景作了展望。

石墨烯增强铝合金复合材料的研究进展

传统的颗粒增强型铝基复合材料多局限于机械性能的提高,而在导热性能方面改善有限。石墨烯的应用,为进一步提高包括铝合金在内的传统材料的导热性、强度等性能,为实现高性能化、轻质化提供了新的解决途径。文章就目前石墨烯增强铝基复合材料的制备方法、力学性能以及导热性能等进行了简要的论述,并对石墨烯增强铝基复合材料的未来发展趋势及工业化应用前景作了展望。

铁中硅元素对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响

使用SEM,EBSD研究(480~640)℃1h退火后,铁中添加不同的硅含量(u(Si)=0.82%,1.48%,3.26%)对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响。结果表明:(480~640)℃1 h退火后,未添加硅的铝/铁复合板在界面处均生成连续金属间化合物,随着退火温度升高,金属间化合物厚度增大,当退火温度超过620℃时,界面金属间化合物形貌由较为平直转变为舌状突起;640℃1 h退火后,界面金属间化合物厚度随铁中硅元素含量的增加呈指数型减小,未添加硅的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度在35 μm以上,而铁中添加ω(Si)=3.26%的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度为20 um左右;铝/铁复合板界面金属间化合物主要为Fe_(2)Al_(5),少量的Fe_(4)Al_(13)分布在靠近铝侧和分散在Fe_(2)Al_(5)中;铁中添加ω(Si)=1.48%时,界面金属间化合物同样包括Fe_(2)Al_(5)及少量的Fe4Al13,其分布与不加硅的铝/铁复合板的类似,只是其界面还生成了含硅的Fe_(3)Al_(2)Si_(3)和FeAl_(2)Si相,他们弥散分布于靠近铁侧的Fe_(2)Al_(5)中。

嵌入式铝/钢带材轧制复合铝层和钢层厚度的变化规律

采用冷轧复合法制备嵌入式铝/钢复合带材,研究了嵌入式铝/钢带材冷轧复合压下率、铝带初始厚度对轧制复合变形区内铝层和钢层厚度比变化的影响规律;采用切片法计算变形区内界面剪切应力分布,分析了铝层和钢层厚度比变化的原因。结果表明:在特定压下率(r_(con))条件下,从轧制入口到出口变形区铝层与钢层厚度比呈先减小后保持基本不变的变化趋势;当压下率r<r_(con)或r>r_(con)时,铝层和钢层厚度比(RA/S)呈先减小后增加的变化趋势;当初始铝带厚度由0.50 mm减小至0.10 mm时,r_(con)由45%减小至30%;随着压下率的增加,变形区界面剪切应力增大,该剪切应力使铝层与钢层之间发生相对滑动(r<r_(con))、无相对滑动(r=r_(con))和粘着流动(r>r_(con));仅当压下率r>r_(con)时,拉伸断口铝层与钢层不分层,复合带材具有良好的界面结合状态。

嵌入式铝/钢冷轧复合带材铝层的厚度波动形成机理与控制（英文）

研究压下率和铝带初始厚度对冷轧复合嵌入式铝/钢复合带材铝层厚度波动的影响,分析铝层厚度波动的形成机理,提出改善复合带材铝层厚度均匀性的措施。结果表明,随着压下率的增加,铝层厚度波动逐渐增大。当压下率低于40%时,初始铝带厚度对复合带材铝层厚度波动量的影响较小;当压下率高于40%时,随初始铝带厚度的减小,复合带材的厚度波动量增大。表面处理形成的钢带表面硬化层引起钢带表层变形和钢/铝界面结合程度不均匀是导致复合带材铝层厚度波动的主要原因。采用合适的钢带表面处理方式降低钢带表面硬化程度,改善钢带表层变形和钢/铝界面结合程度的均匀性,可有效降低铝/钢复合带材的铝层厚度波动。

表面处理工艺对冷轧铝/钢(4A60/08AL)复合板结合性能的影响

根据冷轧金属复合板的结合机制,通过改变表面处理工艺参数(不同打磨磨具、不同打磨次数、不同载物台水平移动速度打磨、不同打磨方向等),研究了表面处理工艺对冷轧铝/钢(4A60/08AL)复合板结合性能的影响。结果表明,采用钢丝直径为0.35 mm^0.6 mm的钢丝刷打磨钢表面有利于铝/钢复合,结合强度在50 MPa以上;采用平行于轧制方向打磨钢表面更有利于铝/钢轧制复合。打磨次数在2~3次时,4A60/08AL的结合性能较好;载物台水平移动速度在6 mm/s^10 mm/s之间钢表面处理的效果最佳,铝/钢结合强度较好。

铝钢金属间化合物生长及其抑制机理的研究现状

铝钢复合材料兼具钢良好的力学性能和铝的耐腐蚀、高导热性、密度低等特点,可以满足许多特殊使用要求。铝钢界面若生成金属间化合物,会破坏铝钢基体间的冶金结合,严重影响材料的使用性能。因此,抑制铝钢界面金属间化合物的生长是开发铝钢复合材料的关键。对铝钢金属间化合物的生长及其抑制机理进行了较为系统的综述,介绍了铝钢界面常见的金属间化合物生成相的种类、晶体结构,从热力学与动力学角度对金属间化合物的生成机理及形成顺序进行了阐述。此外,对比总结了不同合金元素对铝钢金属间化合物形成的影响规律,着重分析了Si元素对铝钢金属间化合物生长的抑制机理。

铝(4A60)-钢(08Al)复合带材界面化合物形成及结合性能

采用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪，研究电站空冷用铝（4A60）？钢（08Al）复合带材在不同模拟钎焊工艺下界面化合物的生长特性。通过界面剥离实验，分析不同钎焊条件下复合带材结合性能的变化规律。结果表明：在钎焊保温时间20 min内，铝（4A60）？钢（08Al）复合带材生成界面金属间化合物（IMC）的临界温度范围为605~615℃，界面相主要成分为Fe 2 Al 5。界面金属间化合物厚度随保温时间的增长满足抛物线规律，在615℃时，生长常数k为0.69＆#215;10？12 m2/s。界面金属间化合物厚度在12μm以下时，复合带材仍保持良好的界面结合强度（大于45 MPa）。随着金属间化合物厚度继续增加，界面结合强度显著下降，当金属间化合物厚度为25~43μm时，结合强度降至10~20 MPa；当金属间化合物厚度为54~68μm时，界面结合强度只有5~10 MPa。

冷轧铝钢复合板初始及稳定复合压下量的确定

通过薄铝层剥离实验及轧制变形区剥离形貌的分析,对4A60铝合金与08Al钢冷轧复合板的初始复合及稳定复合的压下量进行研究。同时,结合ABAQUS有限元数值模拟,提出了一种基于薄膜理论的判定铝钢冷轧复合板初始复合及稳定复合压下量的方法。结果表明,在4A60(铝)-08Al(钢)复合板冷轧过程中,仅当08Al钢表面硬化层破碎至一定宽度时,铝钢才能实现结合。当4A60初始厚度为0.23mm时,复合板初始复合压下量为30%,稳定复合压下量为50%。当08Al钢的初始厚度不变时,随着4A60铝合金初始厚度的增加,达到初始复合与稳定复合所需的压下量也随之增大。压下量为60%,4A60(铝)与08Al(钢)的厚度比为1∶1时,复合板不能达到稳定结合;当厚度比增加至2∶1时,复合板不能实现初始结合。

钎焊式空冷系统用嵌入式冷轧铝-钢复合带材的开发

通过＂表面处理＋冷轧复合＋退火处理＂三步法,即先采用钢丝刷对4 mm 08Al钢（/%：0.01C,0.018Al）和0.23 mm 4A60铝带表面进行处理,然后在前张力30 kN下利用高精度Φ420 mm四辊轧机对铝-钢进行60%的单道次冷轧复合,并于罩式退火炉进行520℃24 h的退火处理,开发出了极薄复层（80~90μm）冷轧4A60铝/08Al钢1.7 mm复合带材。复合带材中08Al钢的组织为平均晶粒尺寸15μm的等轴铁素体,抗拉强度≥320MPa,伸长率≥28%,弯曲性能也符合指标要求。复合带材在（600±10）℃钎焊后铝钢界面未发现金属间化合物,铝钢界面未发现分层现象。

电站空冷系统用预覆钎料铝钢复合带材的开发

将钎料层材料4343铝合金和包覆层材料4A60铝合金进行热轧复合,然后与08Al钢在张力条件下通过420 mm轧机进行50%的单道次冷轧复合,随后在罩式退火炉中进行520℃×24h的退火处理,得到电站空冷系统用预覆钎料铝钢复合带材,并对其组织与性能进行了研究。结果表明:预覆钎料铝钢复合带材中08Al钢的组织为再结晶铁素体;复合带材的屈服强度大于250 MPa,抗拉强度为305MPa左右,伸长率大于30%;在608℃保温20min钎焊后铝钢界面未发现金属间化合物,拉剪时断裂发生在4A60铝合金层上,铝钢界面未发生分层。

三层铝／铝／钢轧制复合变形行为及力学性能

采用"热轧+冷轧"复合制备4343/4A60两层Al/Al合金带,采用"冷轧+轧后退火"制备4343/4A60/08Al钢三层铝/铝/钢复合带材。利用金相、扫描、能谱观察分析组织变化及界面元素的扩散,采用拉伸实验和杯突实验测定复合带材的力学性能。结果表明,铝/铝包覆率与压下量无关,铝/钢的包覆率随压下量的增加呈先降低后保持不变的规律。冷轧后退火可使铝/钢复合材料的硬度和强度降低、塑性增加、杯突值增加,综合性能得到改善。

耐磨复合钢板的生产技术及工业应用

耐磨复合钢板不但能满足多类结构材料对韧性和耐磨性的双重性能要求,而且还可以节省耐磨钢的使用量,显著降低各种装备的材料成本。对耐磨复合钢板的主要制造技术及加工方法进行了简要回顾,分析了各种生产工艺的优缺点,阐述了耐磨复合钢板的典型应用,并对耐磨复合钢板的发展前景进行了展望。

碳在热轧316L、310S奥氏体不锈钢-0.16%C Q345钢复合板界面的扩散行为

0.017%C 316L/0.076%C 310S钢与0.160%C Q345钢复合坯经1 200℃2 h加热,开轧1 150℃,终轧1 000℃,道次压下量20%~25%,轧制5道次,轧成试验用复合板。采用Thermo-Calc软件计算了复合板中不锈钢的伪二元平衡相图,得到了316L和310S钢在轧制温度下析出碳化物的临界碳含量分别为0.082%和0.076%,并利用菲克第二扩散定律对碳在热轧不锈钢-低碳钢复合板中的浓度分布进行分析计算,据此得出316L钢和310S钢碳的扩散距离分别为10μm和12μm(碳在316L钢中扩散距离为7μm),并与草酸腐蚀试验结果基本相符。复层用316L钢的复合板的耐蚀性优于310S钢。

4A60铝/08Al钢复合带材冷轧复合后钢的再结晶行为

对不同压下量的冷轧复合4A60铝/08Al钢复合带材进行再结晶退火处理,研究了压下量、退火温度以及退火时间对复合带材中08Al钢的再结晶行为的影响。结果表明:压下量越大,相同退火时间内钢发生完全再结晶的平均晶粒尺寸越细小。晶粒长大过程中,钢的显微硬度值基本保持不变(105 HV左右),与压下量和退火制度的关系不大。随着压下量的增大,钢的再结晶速率加快,再结晶激活能降低,当压下量从30%增加至60%时,钢的再结晶激活能从285 k J/mol降低到175 k J/mol,降低了110 k J/mol。采用双曲线可以很好地描述08Al钢的再结晶激活能(Q)与真应变(e)之间的关系:Q=36.6+64.4/e(k J/mol,R2=0.985)。

铝-钢冷轧变形界面复合行为

以4A60铝合金和08Al低碳钢冷轧复合板为研究对象,通过变形区剥离、扫描实验,研究了复合变形区金属流动规律、压下量和初始厚度对界面结合效果的影响。结果表明,随着压下量的增加,变形区铝-钢厚度比先减小后增大,最后达到稳定,且增加压下量可提高金属间界面结合强度;初始铝层越薄,复合压下量最小值越小,且在压下量相同时,其结合强度越高。初始铝层厚度和压下量通过影响钢表面氧化膜层的破裂程度来影响界面结合。铝-钢界面结合强度与钢层表面氧化膜破裂率φ相关,当φ>21%时,铝-钢金属间发生初始结合。