Al/Fe异质金属磁脉冲复合界面基体元素扩散行为及微结构调控机制

Interface-controlled preparation of heterogeneous bimetallic composites has always been the focus of applied research of engineering materials. Magnetic pulse cladding (MPC) is an advanced processing technology for manufacturing dissimilar metal combinations by pulsed electromagnetic force. However, further study of the critical scientific issues in the microscopic mechanism of interfacial bonding and the microstructure evolution mechanism for MPC is absent so far, which plays the restriction role in the performance advantage. This project focuses on the Al/Fe bimetallic system. The microcosmic behaviors of solid-solid amorphous interface, solid-liquid interface under applied pulsed electromagnetic forces are investigated from atomic scale by combination of molecular dynamic (MD) method, theoretical analysis and experiments. The temperature distribution across the interface during the MPC process is analyzed. The research plans to reveal the dynamic mechanism of the atomic diffusion behavior and tries to establish a physical model for the MPC process. The mechanism of microstructure evolution of the cladding interfaces is further explored on the basis of understanding of the effects of key processing parameters, such as discharging energy, the geometry of field shaper, on the microstructure. Moreover, an energy-dependent criterion for predicting microstructure is established, which helps to achieve the target to control microstructure of the MPC interface. The research results would lay a microstructure foundation and provide the technical support for fabrication of high-performance dissimilar-metals components.

异质双金属复合材料的界面可控制备一直是工程材料应用研究的重点。磁脉冲复合法是利用脉冲电磁力进行异质金属复合构件制备的一种先进加工方法，但目前对磁脉冲复合过程中界面结合微观机理、微结构演变机制等制约复合效应发挥的关键科学问题尚缺乏深入研究。本项目以Al/Fe体系为研究对象，拟通过分子动力学数值模拟、理论分析与试验相结合的方法，从原子尺度研究脉冲电磁力作用下异质金属界面的微观行为（如固/固非晶界面形成、液相界面的形成与扩展等），分析磁脉冲复合过程中界面附近温度分布规律，揭示界面原子扩散行为规律及其动力学机制，建立磁脉冲复合过程的物理模型；并在掌握放电能量、集磁器结构等关键工艺参数对界面微结构的影响规律基础上，进一步揭示界面微结构的演变机制，建立微结构演变的能量判据，实现对磁脉冲复合界面微结构调控。课题研究结果将为高性能异质金属复合构件的制备奠定微观理论基础和提供技术支撑。

由异质金属以层状方式焊接而成的复合构件不仅综合了不同材料优异性能、满足构件轻量化设计要求，而且极大节约了贵重金属用量，提高经济效益。磁脉冲复合法是利用脉冲电磁力进行异质金属复合构件制备的一种先进加工方法，但目前对磁脉冲复合过程中界面结合微观机理、微结构演变机制等制约复合效应发挥的关键科学问题尚缺乏深入研究。为此，本项目通过分子动力学数值模拟、理论分析与试验相结合的方法，从原子尺度研究了脉冲电磁力作用下异质金属界面的微观行为。以LAMMPS软件为平台，并基于实验观测的复合界面特征，构建了磁脉冲复合过程中焊点附近微区的分子动力学模型。研究了不同冲击速度条件下系统的热力学特征，揭示了磁脉冲复合过程中界面的产热机制及界面附近温度的梯度分布；研究了异质金属复合界面的基体元素扩散行为规律及其动力学机制，分析了冲击速度对体系扩散系数的影响，揭示了Al/Fe磁脉冲固相结合界面冶金连接实质为Fe原子在无序化Al基体中的快速扩散。通过分子动力学模拟与微观测试分析手段相结合，研究了扩散层的厚度，阐明了界面处原子浓度分布的非对称特征及稳定互扩散阶段的对称分布特征。基于建立分子动力学多晶模型，进一步揭示了晶粒细化的旋转机制。研究了典型Al/Fe异质金属磁脉冲复合界面的微观结构特征，结果表明，显含过渡区的焊接界面精细结构为铝母材-过渡区-非晶带-钢母材，其中，铝母材和钢母材都是纳米晶，过渡区是非晶基体上的Al/Fe化合物混合体，宽度达微米级，形成机制为“熔化-急冷”；非晶带宽度仅有十几个纳米。进一步考察了放电能量、集磁器结构尺寸、退火工艺等因素对界面微结构的形成及演变的影响，在此基础上，提出了扩口型磁脉冲搭焊新方法，建立了界面微结构演变的碰撞点移动速度、放电能量二维判据，实现了对复合界面形貌的有效控制。本项目的研究成果丰富了磁脉冲焊接微观理论，为高性能异质金属复合构件的制备提供了重要科学依据和技术支撑。