增材制造鈦基金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對鎂/鈦雙金屬復(fù)合材料界面強(qiáng)化的優(yōu)化

來源： 中國有色金屬學(xué)報

鎂合金具有輕質(zhì)高強(qiáng),、高阻尼性和電磁屏蔽性能好等優(yōu)點(diǎn),，但高溫性能不足、耐蝕性差及絕對強(qiáng)度低限制了應(yīng)用范圍,。與之相比,，鈦合金具有更高的絕對強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫性能等優(yōu)點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)鎂/鈦合金的可靠復(fù)合能夠在最大程度上保留各自性能特點(diǎn)的同時克服單一材料性能上的不足,。然而,，鎂合金和鈦合金的連接受制于Mg和Ti的弱反應(yīng)、低互溶及較大的物理化學(xué)性能差異,。液-固復(fù)合鑄造能夠低成本地生產(chǎn)具有復(fù)雜輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合鑄件,，目前，通過復(fù)合鑄造制備鎂/鈦雙金屬的界面形態(tài)僅以簡單的近平面連接為主,，界面結(jié)合強(qiáng)度還有待進(jìn)一步提高,。固相金屬的表面處理是界面強(qiáng)化的常用手段，本文在界面處采用選區(qū)激光熔融制備的鈦基金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)對鎂/鈦雙金屬界面結(jié)合的強(qiáng)化,。結(jié)合有限元分析和復(fù)合鑄造實(shí)驗(yàn)，在桿徑范圍為2 mm內(nèi)優(yōu)化了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù),，重點(diǎn)分析了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的長徑比對鎂/鈦雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律,，為鎂/鈦雙金屬的復(fù)合鑄造界面強(qiáng)化新方法建立理論基礎(chǔ)。

本研究在界面處采用增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了鎂/鈦雙金屬液-固復(fù)合鑄造的界面結(jié)合,，優(yōu)化了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù),，揭示了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)對鎂/鈦雙金屬界面結(jié)合的影響次序，闡明了最顯著因素-長徑比對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律,。


圖1（a）為不同長徑比下,，Mg/Ti雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度，可見隨著長徑比的增加,，雙金屬結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小,。通過對單胞模型中增強(qiáng)體Ti點(diǎn)陣的相對體積分?jǐn)?shù)（圖片，vol%）的計算,，雙金屬結(jié)合強(qiáng)度隨著圖片（vol%）的增加,，先增加后減小，與復(fù)合材料混合定律計算結(jié)果得到的規(guī)律不一致,。圖1（b）為不同長徑比下,，Mg/Ti雙金屬的失效形式，可見隨著長徑比的增加,，雙金屬失效形式從Mg破壞轉(zhuǎn)變?yōu)門i桿斷裂。Mg的破壞形式主要為被Ti“割裂”成兩部分,，Ti桿的斷裂形式主要為下節(jié)點(diǎn)根部處的剪切破壞,。結(jié)合失效形式可知，圖1（a）中失效強(qiáng)度轉(zhuǎn)折的原因在于失效形式的變化,。

圖1 (a) 長徑比l/ds對雙金屬失效強(qiáng)度的影響和 (b) 長徑比l/ds對雙金屬失效形式的影響

以長徑比為3的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例,，分析Mg/Ti雙金屬的拉伸變形過程。根據(jù)Ti和Mg的屬性差異,，可以將雙金屬的變形過程大致分為4個階段,，如圖2所示,。在變形伊始階段，在極小的拉伸位移內(nèi)(u1=0.027 mm),，Ti和Mg首先都發(fā)生彈性變形,，此時拉伸響應(yīng)曲線呈線性增加，對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖2（b）u1所示,，可見界面未分離,，桿的根部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于Mg的彈性模量和屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Ti,，隨著拉伸過程的進(jìn)行,，當(dāng)位移大于u1后，Ti和Mg之間的相互作用導(dǎo)致接觸壓力會逐漸增大,，桿下方的Mg基體的Mises應(yīng)力在88~120 MPa之間,，超過Mg屈服應(yīng)力(89 MPa)的部分率先發(fā)生塑性變形，此時便是混合變形的第Ⅱ階段,。隨著拉伸的進(jìn)一步進(jìn)行,，當(dāng)位移大于0.113 mm后，如圖2（b）u2所示,，Ti桿根部,，與Mg接觸的桿上表面和上節(jié)點(diǎn)的底部，Mises應(yīng)力約為970~1100 MPa之間,，局部超過Ti的屈服應(yīng)力(940 MPa),，但始終小于其強(qiáng)度極限，即進(jìn)入由應(yīng)變強(qiáng)化主導(dǎo)的第Ⅲ變形階段,。隨著拉伸變形過程的繼續(xù)進(jìn)行,，與桿接觸的大部分Mg發(fā)生塑性變形，在拉伸位移u3=0.301 mm時承載能力達(dá)到極限,，響應(yīng)曲線出現(xiàn)峰值,，應(yīng)力云圖如圖2（b）u3所示，此時界面已完全分離,。Mg開始軟化,。繼續(xù)拉伸，便進(jìn)入漸進(jìn)損傷階段,，響應(yīng)曲線開始下降,，當(dāng)位移為0.347 mm時，如圖2（b）u4所示,，Mg被鈦完全“割裂”成兩部分,。

圖2 （a）失效過程的四個階段在拉伸曲線上的反應(yīng)；（b）四個變形階段對應(yīng)的應(yīng)力云圖

根據(jù)雙金屬的變形過程可建立簡化力學(xué)分析模型,。圖3 為Mg/Ti雙金屬拉伸時的簡化力學(xué)分析模型,，拉伸過程中,，Ti點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)底部固定，Mg垂直向上移動,，根據(jù)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)以及圖2中變形過程的應(yīng)力分布云圖可知,，桿單元與下節(jié)點(diǎn)連接處的截面為危險截面。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有空間對稱性,，以單根桿為研究對象,，如圖3（b）所示，可建立危險截面的力學(xué)方程進(jìn)行定性分析,。在拉伸變形過程中由于雙金屬在界面處的應(yīng)力傳遞較為復(fù)雜,，為簡化桿的受力分析，將雙金屬相互作用產(chǎn)生的所有力轉(zhuǎn)化為一個合力Fz,，假設(shè)Fz作用于上節(jié)點(diǎn)的球心O點(diǎn)使得桿發(fā)生向上的位移u,，由于下節(jié)點(diǎn)與基板為剛性連接，故可把桿當(dāng)作懸臂梁,，其主要發(fā)生由剪力FS,、彎矩M導(dǎo)致的彎曲變形和軸力FN導(dǎo)致的拉伸變形，根據(jù)圓桿的變形公式可得到危險截面的應(yīng)力公式,，如式（1）所示,。當(dāng)傾斜角不變時，長徑比增加意味著桿徑減小,，由公式（1）可知截面應(yīng)力與桿徑成反比,，因此，當(dāng)長徑比增加（桿徑減�,。┲烈欢ㄖ禃r,，桿必然斷裂，導(dǎo)致點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的承載能力降低,，進(jìn)而使得雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度降低,。

式中，δmax為危險截面應(yīng)力,，F(xiàn)Z為簡化的合力,；ds為桿徑；ω為桿單元傾斜角度,；x為危險截面距離上節(jié)點(diǎn)球心的距離,。

圖3 Mg/Ti雙金屬單胞模型與桿受力簡化分析示意圖：（a）Mg/Ti雙金屬三維單胞模型；（b）ABCD截面的二維示意圖,；（c）單根桿的受力分析示意圖

使用選區(qū)激光熔融技術(shù)（SLM）制備長徑比為2,、3,、5的TC4點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),，如圖4（a）-（c）所示,，然后使用超聲振動輔助鑄造與AZ91D進(jìn)行復(fù)合，澆注溫度為730 ℃,。圖4（d）-（f）為不同長徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖,，并未發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞，可見采用超聲輔助鑄造的方法使得AZ91D與TC4嵌合良好,。

圖4 （a）-（c）SLM制備的不同長徑比的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),；（d）-（f）不同長徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖；  

圖5為不同長徑比下雙金屬的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，圖5（a）為載荷-位移曲線,，圖5（b）為雙金屬的失效強(qiáng)度對比，可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的失效強(qiáng)度變化趨勢與模擬結(jié)果得到的規(guī)律一致,。當(dāng)長徑比為3時,，實(shí)驗(yàn)得到的雙金屬失效強(qiáng)度為77.3 MPa，高于模擬得到的強(qiáng)度56 MPa,。歸因于模擬時,，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面為光滑表面，但實(shí)際上SLM制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)表面由于未熔融顆粒的沉積,，使得表面具有一定的粗糙度,，增大了界面摩擦阻力，這對于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高是有益的,。

圖5 雙金屬拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（a）載荷-位移曲線,；（b）失效強(qiáng)度對比

研究結(jié)論
（1）使用SLM制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了Mg/Ti雙金屬的液-固復(fù)合鑄造界面結(jié)合，最優(yōu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)為桿徑（ds）1 mm,，長徑比（l/ds）3,，節(jié)點(diǎn)比（dn/ds）為2.5，最優(yōu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)下Mg/Ti雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度為77.3 MPa,。

（2）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的長徑比（l/ds）是影響界面結(jié)合的最顯著因素,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果都表明，隨著長徑比（l/ds）的增加,，雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度先增加,，后減小，當(dāng)長徑比（l/ds）為3時,，界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大,。

（3）Mg/Ti雙金屬的失效形式主要為界面分離，Mg破壞和Ti桿斷裂,，隨著長徑比的增加,，桿與節(jié)點(diǎn)處連接的應(yīng)力集中會使得失效形式從Mg基體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)門i桿斷裂。

團(tuán)隊介紹
趙建華,，教授,、博士生導(dǎo)師,。主要從事高性能鋁、鎂合金及其成形技術(shù)研究,，先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項目,、工信部智能制造新模式項目、寧夏自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計劃（重大項目）,、重慶市科技攻關(guān)重大項目等科研項目50余項,。在國內(nèi)外專業(yè)期刊及會議公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文近200篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項,。獲得國家教育部及重慶市科技進(jìn)步一等獎,，中國汽車工業(yè)科技進(jìn)步二等獎等獎項。


辜誠,，副研究員,，從事輕合金凝固過程集成計算材料工程相關(guān)領(lǐng)域，在多元合金凝固過程的多尺度耦合模擬,、凝固微觀組織的定量表征等方面進(jìn)行了深入的研究,。獲批國家自然科學(xué)基金青年基金項目、中國博士后基金面上項目,、重慶市工業(yè)設(shè)計強(qiáng)基計劃等科研項目,，發(fā)表高水平SCI期刊論文50余篇，授權(quán)發(fā)明專利2項,。

吳遠(yuǎn)兵,，博士研究生。研究方向?yàn)榻饘俨牧系谋砻婕敖缑�,，以第一作者在《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》,、《Metals and Materials International》、《復(fù)合材料學(xué)報》等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文5篇,。