钢—铝复合界面组织结构研究

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纤维增强铝基复合材料具有广泛的用途,其中钢纤维增强铝基复合材料相比陶瓷纤维增强铝基复合材料更具有诸多优势。但是,界面反应的控制是影响复合材料性能的关键因素,也是制约其生产规模、应用范围的主要障碍。本文以研究钢铝复合界面的控制方法为重点,以期改善界面的结合,降低纤维增强铝基复合材料的工艺复杂性和生产成本。本文采用热浸镀工艺制备钢铝复合界面,研究了合金元素、钢基体成分和浸镀时间对钢铝界面化合物层的组织和结构的影响,以探索界面控制的方法和最佳工艺参数,并从热力学和动力学角度对控制界面化合物层的生长进行了理论分析与讨论;在界面研究的基础上,选择6063铝合金基体与不锈钢纤维增强体,采用浇铸挤压法制备了复合材料板材,并对其进行微观组织形貌分析和宏观力学性能测试,探索界面组织结构对力学性能的影响规律,预测了复合材料的用途。研究结果表明:(1)、钢镀铝的镀层由表面铝(合金)层和界面铁铝化合物层组成;低碳钢、弹簧钢热镀pure Al、Al-Zn5、3003、6063铝(合金)的界面呈锯齿状,热镀Al-X5合金的界面为平坦的条带状;奥氏体不锈钢热镀的界面形状受镀液成分影响较小,均呈条带状;X改变了界面化合物层的相结构,生成的三元化合物阻碍了Fe、Al和合金元素Zn、Mn、Mg的扩散;Zn对Fe、Al间的相互扩散有催化促进作用;(2)、热浸镀相同时间,相对于浸镀pure Al,浸镀Al-Zn5合金时,化合物层厚度明显增加;浸镀3003和6063合金时,厚度变化不甚明显;浸镀Al-X5合金时,化合物层厚度很薄。镀液成分相同,低碳钢、弹簧钢、奥氏体不锈钢热浸镀的界面化合物层厚度依次减小。铝液中添加X元素,选择奥氏体不锈钢,并尽可能缩短浸镀时间,是控制界面化合物层生长行之有效的手段;(3)、浸镀纯铝时,化合物层主要由FeAl3和Fe2Al5构成;浸镀Al-Zn5合金时,化合物层中的FeAl3和Fe2Al5的含量降低,最强峰为Fe3Zn10;浸镀Al-X5合金时,FeAl3和Fe2Al5的含量很低,生成了Fe-Al-X的三元化合物;浸镀Al-Mn合金和Al-Mg-Si合金时,化合物层主要由FeAl3和Fe2Al5组成;(4)、界面生长依靠Fe、Al原子的相互扩散反应完成,过程中伴随着Fe和FeAl3相向熔融铝中的溶解;化合物层厚度与时间并非严格遵循纯扩散时的抛物线关系;(5)、选择不锈钢纤维和6063铝合金搭配制备的复合材料各项力学性能相比基体铝合金均有所提高;界面化合物层厚度得到有效控制,只有9μm;拉伸断裂时为平整形断口,界面结合较好。通过进一步的模具改造与工艺改进,可极大提高复合材料的各项性能,有望实现工业化生产,在航空航天、军工、汽车、机械、电子和消防等领域拥有良好应用前景和可观的经济效益。
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