Mg/Al液固复合界面的润湿及其凝固脆性相层的抑制机理研究

It is difficult to weld Mg/Al dissimilar metals by fusion welding. Mg/Al liquid-solid cladding process developed by die-casting offers a new way to the mass production of such metals. Two problems exist in Mg(l)/Al(s) cladding process: First, the oxide film on solid aluminum alloy does not get wet with liquid Mg; Second, the element diffusion at Mg(l)/Al(s) cladding interface is likely to cause intermetallic compound phase layer at the interface after the solidification of Mg liquid . The effect of diverse brazing fluxes vary in aluminum oxide film removals, and removal mechanisms are yet unclear; owing to re-oxidation that occurs after removal, it is difficult to observe the actual morphological changes of aluminum oxide film in the film-removing process. In this project, it is innovatively proposed that the electronic conductivity of conductive atomic force microscopy (cAFM) be used in studying the morphological changes of aluminum oxide film, and the current-voltage curve be referred to in identifying whether the film is oxidized or re-oxidized. This project contributes to the study of film-removing mechanism. In addition, by composition design and interfacial diffusion control, it is proposed that a quasi-continuous Mg2Si phase is “produced internally” at the cladding interface to prevent aluminum element from diffusing into Mg liquid and to inhibit brittle phase (Al3Mg2、Al12Mg17) layer during solidification of the Mg liquid. The study of this mechanism provides theoretical reference for solving the brittle phase tendency in Mg/Al clad metal.

Mg/Al异种金属难以熔焊，通过压铸实现的Mg/Al液固复合为批量化制备复层材料提供了新途径。Mg(l)/Al(s)复合需解决二个问题，一是固态铝合金表面的氧化膜和液态Mg不润湿；二是Mg(l)/Al(s)界面元素扩散易使Mg液凝固后产生金属间化合物相层。各类钎剂去除氧化铝膜的效果不同，去膜机理仍不十分清楚，原因在于氧化铝膜去除后又会重新氧化，因此难以观察到去膜过程中膜的本质变化。本申请项目首次提出利用导电原子力显微镜的导电性来研究氧化铝膜形貌变化，根据其电流-电压曲线可判别氧化膜是否为重新氧化膜，这样有助于弄清去膜机理。此外，提出通过成分设计和界面扩散控制，在Mg(l)/Al(s)复合界面处“内生”出一层准连续Mg2Si相，以阻碍铝元素向Mg液中扩散，抑制Mg液凝固后产生脆性相层（Al3Mg2、Al12Mg17），研究这一机理，为解决Mg/Al复合易产生脆性相的难题提供理论参考。

Mg/Al双金属复合材料是可以结合铝及镁合金各自优点的一种重要轻质材料。Mg/Al液固复合工艺是将液态镁压铸在固态铝基底表面，形成冶金连接的Mg/Al液固复合结构的一种铸造工艺。Mg/Al液固复合中有两个难点，一是固态铝合金表面的氧化膜和液态镁不润湿；二是Mg(l)/Al(s)界面元素扩散易使镁液凝固后产生脆性金属间化合物相层。针对这两个难点，我们通过实验发现氯化物钎剂，锌酸盐+电镀锌等表面处理工艺可以很好的去除铝表面氧化膜，促进液态镁与固态铝基底的润湿。在此基础上，我们使用导电原子力显微镜技术深入研究了氯化物钎剂去除铝表面氧化膜的过程及机理。发现在钎焊时，F-离子起到局部破膜作用。重金属Zn2+离子通过局部裂纹渗入并与铝基底发生化学反应，破坏了Al基底与氧化铝膜的结合。这个重要发现为开发新型无腐蚀性Cl-的环境友好型钎剂起着重要的指导性作用。此外，我们通过成分设计，在铝基底中加入Si元素，可以有效抑制Mg-Al金属间相（Mg12Al17，Mg3Al2）的生长，改善金属间相的分布和形貌。由Turnbull-Vonnegut方程和相图计算表明，Mg2Si相在凝固扩散时要先于Al-Mg金属间相形成，因此可以有效阻碍金属间相的形成。为了进一步抑制甚至避免金属间相的形成，我们开发了一种“双金属铸造+低温退火”工艺。该工艺的过程是：首先通过高压铸造的方法将液态镁合金快速压铸在铝基底表面，通过快速冷却（从压铸到凝固只需2秒）时产生的收缩力将镁铸件紧紧包裹在铝表面，此时铝镁合金间仅是一种机械结合；随后通过低温退火工艺，使得铝镁间产生扩散连接。结合计算机模拟技术，可以有效控制金属间相的生长厚度。通过这种工艺可以进一步提高Mg/Al液固复合铸件接头的强度，并为Mg/Al液固复合工艺提出了一种新的思路。