复合材料力学分析.doc

对由成型铝/钛复合材料的粘结机理和力学性能 文章历史： 收到：2014年3月18号 接受：2014年5月25号 可在线：2014年6月7号 关键词： 界面结合 嵌入成型 铝 钛 金属间化合物 机械性能 摘要： 嵌入成型的铝/钛金属复合材料现在由于他们生产成本低，能耗低，制作程序简单和高界面结合强度而吸引更多的关注。然而，纯Al和纯Ti制成的嵌件模制到目前为止还没有被报道，虽然它被认为是研究钛合金/铝合金界面结合的基础。因此，意欲在本文对纯Al和纯Ti嵌入成型以及相应的微结构，元件分布和界面的机械性能进行分析。结果是，Al和Ti可以实现一个良好的冶金结合，主要由金属间的界面来确定，Ti插入Al的基体中形成基合物TiAl2和TiAl3，分别取决于不同的热处理参数和冷却条件。结果表明，硬度界面层的子层决定了结合的类型。对紧密子层，其硬度比这两种金属（Al和Ti）的最大值HV520更高。然而，粒状接口子层的硬度依赖于铝基和结合物金属间的比例。界面层的平均剪切强度可以达到约60兆帕，其比在本实验中测试的铝基质（43兆帕）更高。结果也表明，剪切裂缝最早出现在铝试样接口（邻近定位器）的底面附近。 介绍： 钛合金由于它的高强度比，优良的耐蚀性，显着的冲击韧性和显著热稳定性已被广泛使用。但是，生产成本高限制了它们的广泛应用。铝合金，另一种重要的工程金属材料，表现出密度低，良好的成型性，高导热性和低成本的优点，但在高温下冲击韧性和耐腐蚀性的不理想。粘合铝（Al）合金和钛（Ti）合金将实现其优异的组合性质，包括低密度，强酸/碱耐腐蚀性能，在高温下良好的抗氧化性，高强度比和高刚度比。因此，铝合金/钛合金复合材料是有希望用于航空航天，以及石油化工和国防产业。在过去几年中，报道了Al / Ti的复合材料由累积叠轧，激光铜焊接，搅拌摩擦焊，粉末冶金，爆炸包覆等等工艺制成。然而，这些方法由于其处理过程的复杂以及较低的界面结合强度和限定的尺寸大小仍然有很大的改进空间，而且生产率低。现在嵌入成型方法已被奥利维尔等人采用。生产TiAl-7Si-0.3 Mg化合物，由于钛/铝合金复合材料生产成本低，能耗低，简单的生产过程和产品的高界面粘结强度而具有优异的工业应用前景。粘合纯Ti和纯Al的过程根本是钛合金/铝合金界面结合，但迄今研究嵌入纯铝，纯钛成型尚未见报道。基于这种情况，将纯铝和纯钛成型进行了研究，以产生所述两种不同的金属之间良好的冶金结合。微观结构，元素分布和力学性能，也对铝/钛复合材料的界面采用不同的热处理和不同的冷却方法制造的样品进行了讨论。重点放在对铝/钛异种金属粘接的形成机制上。 2.实验细节 2.1样品制备 工业纯铝铸造锭与 ￡6 mm *65 mm的钛棒被用作复合材料和嵌入体，其成分在表1分别给出，钛棒在使用前用2000粒度的SiC砂纸机械抛光，然后通过处理碱洗，酸洗，用超声波脱脂丙酮。同样，对铝锭切片，预处理，随后用除机械抛光之外的相同的步骤。然后将预处理的铝片放在一个烘烤刚玉坩埚（示于图1），将其在一个电阻炉内加热，使得铝熔化。这此熔液中，有规律的搅拌铝熔液并将表面浮渣去除。铝熔体的温度由K型（镍/铬）热电偶正负0.2℃时精度测定。应当指出的是，在嵌入实验进行时将一定量石墨设置在坩埚顶部，使得钛插入物保持垂直并居中（示于图1）。 表1 实验中使用的市售铝基质和钛嵌入物的成分（重量％） 铝 钛 Si 0.07 Fe 0.16 0.3 Cu 最大0.02 Mn 最大0.02 Mg 最大0.02 Zn 最大0.06 Ca 最大0.03 其他 最大0.40 Ti 最大0.03 平衡 Al 平衡 2.2。热处理 为了实现Ti嵌入Al基体有良好的冶金结合，对不同的热处理条件和冷却方法进行了测试。当铝的温度熔化物稳定在740 ℃时，钛棒浸入并保持在740℃分别为5分钟，10分钟，20分钟，30分钟和60分钟。在此之后，用两种不同的冷却方法，即空气冷却（AC）或炉冷（FC），分别将样品冷却至室内温度。此后所制备的钛/铝金属的混合物被表示为的TiAl-mn，其中m 表示的热处理时间（m= 5，10，20，30，60），图1 使用嵌件成型铝/钛双金属复合 n表示的采取的冷却方式（n= AC或FC）。 样品的略图 2.3界面分析 凝固后，将双金属样品通过切割放电的方式加工成厚度5mm的切片，这些切片的横截面均垂直于杆轴线。各试件的表面是再用0.5μm的金刚石抛光，用于界面结构表征，分别用化学成分分析电子扫描显微镜（SEM，EVO18，ZEISS）和电子探针微分析仪（EPMA，JXA8100，JEOL）进行界面结构表征扫描。另外，界面处的相结构也将进行X射线衍射（