Al/Mg复合挤压工艺优化及Zn层对复合界面的影响

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近年来复合材料以其优异性能受到人们的青睐,在实际生产中,轻量化设计一直是工业生产中强调的问题。在汽车的轻量化设计中,铝合金、镁合金是首选材料,但镁合金的耐腐蚀性差、塑性变形能力弱,所以铝镁复合材料便应运而生。铝合金与镁合金的性能缺点互补,可以延长其服役期限。铝镁复合材料的生产方式有很多,其中复合挤压制备工序简单,材料利用率高等特点,可以大批量工业化生产。但双金属材料因其物理化学性质不同,使其生产工艺的选择缺少理论依据。此外,铝镁复合材料制备的过程中,通过冶金反应产生了金属间化合物,将对其界面的性能影响较大。本文基于数值模拟的结果,选择最优工艺参数,进行试验。有限元软件仿真结果表明,在挤压过程中,温度场、速度场、应力场、应变场均发生了变化。随着挤压过程的进行,坯料的温度上升,在挤压模具工作带附近存在最大变温区,但挤压后期的温度不降反升;坯料速度场呈梯度变化,挤出部分的速度趋于一致;应力在工作带处最大,待坯料挤出后在内层镁合金中存在少量的残余应力;外层铝合金的应变值大于内层镁合金,挤出部分的应变值一致。提出数学标准差概念,对挤出产品的质量进行评定,标准差越小,成形质量越好。当温度为360℃,模具角度为60°,挤压速度为2mm/s时,为最优的挤压工艺参数。对铝镁复合材料的组织和力学性能进行了分析,测得复合界面上的结合层厚度约5μm。界面上的晶粒基本是变形晶粒,晶粒尺寸小于5μm的铝合金晶粒占比为21.52%,小于5μm的镁合金晶粒占比为25.64%。镁合金侧发生的动态再结晶程度比铝合金侧高。动态再结晶的发生,导致晶粒得到细化,提升了两侧金属的硬度。由于Al/Mg复合界面上生成的γ相(Al12Mg17)和β相(Mg2Al3)在提升硬度的同时,也增加了结合层的脆性。在挤压过程中,铝合金侧形成了Barss织构、Goss织构以及S织构,镁合金侧形成了再结晶织构。结合界面的剪切强度为52.48MPa,整体呈现脆性断裂,断裂位置在靠近镁合金一侧。通过将Zn层作为过渡层加入到铝镁之间进行复合挤压,对挤压制品的界面进行研究。发现Zn层的加入可以有效阻碍Al-Mg金属间化合物的生成,形成厚度为400μm的过渡层。在镁合金一侧生成了过饱和镁基固溶体、共晶相Mg Zn以及共晶相Mg Zn2,导致其硬度高于Al/Mg界面的硬度。过渡层上的动态再结晶程度最高,界面的晶粒细化程度相较于未添加Zn层时提高了8.55%。由于Zn元素的加入促进了再结晶的发生,同时也增加了再结晶织构的生成。Al/Zn/Mg复合界面的剪切强度较Al/Mg复合界面的剪切强度提升30.74%,由于铝合金侧发生了固溶强化,断裂位置从结合层过渡到镁合金侧。
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