电磁场对铝合金复层材料界面形貌的影响＊

李继展，孙红英，伍超群，刘英坤，王彩华

广东省工业技术研究院（广东有色金属研究院）分析测试中心，广东 广州 510650

每种材料都有其优缺点，为满足我国国防、能源、汽车及装备制造业对高性能材料的需求，将不同材料结合在一起，使其具备更优异性能的研究越来越受到人们的重视.复层材料就是利用复合技术，将两种或两种以上具有不同物理、化学、力学性能的金属，在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料.该材料在保持母材金属性能的同时兼具其他金属特性，弥补相互之间的不足，具有单一金属或合金无法比拟的优越性［1－3］.制造复层材料的方法主要有爆炸复合、轧制复合、离心铸造、热浸镀、涂层技术及铸造复合等.铸造复合是二十世纪80年代兴起的一种复层材料制备技术，大大地简化了复层材料的制备工序，降低了生产成本，其应用前景广泛备受关注［3－9］.国外以美国瓦格斯塔夫公司开发的 Novelis FusionTM法为代表［3］，国内有北京科技大学开发的双结晶器连铸法和充芯连铸法［8］、华南理工大学研制的双流浇注半连续铸造法［9］及大连理工大学提出的电磁控制双金属连铸法等［10］.

铸造法制造双金复层材料，主要问题在于如何实现界面良好的冶金结合，因而研究界面结合机理及其影响界面结合强度的因素，对于成功制备双金属复层材料有着重要的意义.本文以3003和4004铝合金为实验材料，采用一种利用脉冲电磁场的方法制备双金属复层材料，研究脉冲电磁场对3003／4004（外层为3003，内层为4004）及4004／3003（外层为4004，内层为3003）复层铸锭结合界面的影响，探讨脉冲电磁场在界面结合过程中的作用机制.

1 实验材料及方法

实验所用材料为3003和4004铝合金，其成分列于表1.

表1 合金的化学成分Table 1 Chemical composition of alloy

实验分为两组，首先将熔融3003铝合金液浇注到石墨铸型中，浇注温度为740℃，10s后将石墨铸型中未凝固的3003金属液倾倒出来，从而获得壁厚约为5mm的3003金属凝壳，而后迅速将3003金属凝壳放入脉冲线圈中，然后将630℃的4004铝合金液浇注到该凝壳中，同时施加脉冲电磁场，直至3003金属凝壳中的4004金属液完全凝固，最终获得3003／4004合金试样.作为对比，在相同情况下制得未施加脉冲电磁场的试样.另外一组实验，是将熔点较低的4004铝合金作为外层金属，而把高熔点的3003铝合金作为内层金属，4004合金和3003合金的浇注温度分别为670℃和710℃，实验过程如前所述，最终获得4004／3003合金试样.实验最终获得的试样尺寸均为Φ45mm×75mm，施加的脉冲电磁场参数如表2所示.

将所得试样从距底部15mm的位置处沿横截面抛开，磨制、抛光，用5%的HF酸腐蚀后观察其金相组织及扫描电镜组织.实验装置主要包括WWL－PS直流稳压稳流开关电源、磁场线圈，Φ45mm×75mm的石墨铸型.

表2 实验脉冲电磁场参数Table 2 Pulse magnetic parameters of experiment

2 结果及讨论

2.1 复层铸锭的宏观凝固组织

图1为施加电磁场试样横截面的宏观组织图.从图1可见，3003／4004复层材料的复层界面为一条清晰的线（图1（a1）和图1（a2）），而4004／3003复层材料的复层界面为一个具有一定宽度的界面区域（图1（b1）和图1（b2））.

图1 施加电磁场的铸坯的宏观组织图（a1）3003／4004合金；（a2）3003／4004合金界面放大；（b1）4004／3003合金；（b2）4004／3003合金界面放大Fig.1 Ingot Morphology morphology structure underout the pulse magnetic field（a1）3003／4004alloy；（a2）Magnified interface of 3003／4004alloy；（b1）4004／3003alloy；（b2）Magnified interface of 4004／3003alloy

2.2 电磁场对3003／4004复层铸锭凝固组织的影响

4004金属熔体在3003金属壳内自然凝固，4004金属液凝固所释放的潜热使3003金属凝壳层表面有一定程度的融化，形成具有固态枝晶网络的半固态层，从而实现二种铝合金的冶金结合.

图2为3003／4004复层铸坯界面形貌金相照片.从图2可见，施加电磁场前后3003／4004复层材料界面形貌发生明显地变化.未施电磁场时，首先亚共晶成分的4004金属液在3003金属壳内壁上大量非匀质形核析出先共晶α－Al层，同时向周围熔体中排入大量Si溶质，使其达到共晶成份，发生共晶反应，大量共晶Si又在先共晶α－Al层上非匀质形核析出，最终使共晶Si在界面上呈针片状大量平行聚集分布，从而对界面产生强烈割裂作用，严重影响了界面的结合强度（图2（a））.施加电磁场后，在脉冲电磁场产生的强烈脉冲振荡冲击作用下，使金属液中的温度场及溶质场更加均匀化，Si溶质无法在先共晶α－Al层附近富集，4004金属液的温度趋向于整体同时降低至液相线以下，而发生等轴晶凝固；同时在强烈的脉冲振荡冲击作用下，还会使在先共晶α－Al层上非匀质形核的大量共晶Si晶核很难附着在其上生长，而被冲击游离到熔体中，最终使界面处共晶Si呈短棒状或块状分布，从而强化了界面的结合强度（图2（b））.

图2 3003／4004复层铸坯界面形貌金相照片（a）未施加电磁场；（b）施加50V，200A电磁场Fig.2 Metallurgical images of 3003／4004cladding ingots（a）without the pulse magnetic field；（b）with the 50V，200Apulse magnetic field

2.3 电磁场对4004／3003复层铸锭凝固组织的影响

图3 及图4分别为4004／3003复层材料界面形貌扫描电镜照片和金相照片.从图3和图4可见，施加电磁场前后4004／3003复层界面区域发生了明显变化.未施加电磁场时，当向低熔点的4004铝合金外壳中浇入高熔点的3003铝合金时，首先3003金属液在4004金属壳内层大量非匀质形核，并以柱状方式向3003金属液的内部生长，生长一段距离且形成3003薄层壳后，3003金属液的温度降低到液相线以下，剩余的3003金属液以等轴晶方式凝固长大，最终完全凝固.由于3003铝合金熔点远远高于4004铝合金熔点，在4004金属壳一侧将发生部分重熔，随着温度的降低这部分重熔的4004金属液又重新凝固，最终在两合金交界处形成一个由α－Al组成的界面区域，并且在界面区域内两种合金原始交界线上形成一条晶界线，晶界线上富集了大量的金属间化合物以及杂质，使界面的结合强度大大降低（图3（a）和图4（a））.施加脉冲电磁场后，在脉冲电磁场周期性脉冲振荡作用下，界面区域组织凝固方式发生了变化，由于3003金属液在4004金属壳上无法迅速形核生长，而是与重熔的4004金属液混合，随后α－Al以柱状方式从4004金属壳的一侧向3003金属液的内部生长，当温度降低至液相线以下后，3003金属液以等轴晶方式凝固长大，最终使界面区域内的晶界线被破除，界面区域组织变为在α－Al基体上大量弥散分布的金属间化合物及杂质强化相，这有助于提高界面的结合强度（图3（b）和图4（b））.

图3 4004／3003复层材料界面形貌扫描电镜照片（a）未施加电磁场；（b）施加50V，200A电磁场Fig.3 SEM images of 4004／3003cladding ingots near the interface（a）without the magnetic field；（b）with the 50V，200Amagnetic field

图4 4004／3003复层材料界面形貌金相照片（a）未施加电磁场；（b）施加50V，200A电磁场Fig.4 Metallurgical images of 4004／3003caldding ingots near the interface（a）without the magnetic field；（b）with the 50V，200Amagnetic field

3 结 论

施加脉冲电磁场能够明显地改善3003和4004铝合金复层材料的界面形貌.对于3003／4004合金复层材料，经电磁场处理后，共晶Si在界面上的分布形态由呈针片状平行界面连续聚集分布变为呈短棒状或块状不连续弥散分布，强化了界面结合强度；对于4004／3003合金复层材料，经电磁场处理后，界面区域内聚集大量金属间化合物及杂质的晶界线被破除，金属间化合物及杂质强化相变为在整个界面区域内弥散分布，界面结合强度同样被加强.

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