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

來源： 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)

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(duì)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(duì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)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(zhǎng)徑比對(duì)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(duì)鎂/鈦雙金屬界面結(jié)合的影響次序，闡明了最顯著因素-長(zhǎng)徑比對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響規(guī)律。


圖1（a）為不同長(zhǎng)徑比下，Mg/Ti雙金屬的結(jié)合強(qiáng)度，可見隨著長(zhǎng)徑比的增加，雙金屬結(jié)合強(qiáng)度先增加后減小。通過對(duì)單胞模型中增強(qiáng)體Ti點(diǎn)陣的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)（圖片，vol%）的計(jì)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(jì)算結(jié)果得到的規(guī)律不一致。圖1（b）為不同長(zhǎng)徑比下，Mg/Ti雙金屬的失效形式，可見隨著長(zhǎng)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(zhǎng)徑比l/ds對(duì)雙金屬失效強(qiáng)度的影響和 (b) 長(zhǎng)徑比l/ds對(duì)雙金屬失效形式的影響

以長(zhǎng)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(gè)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(shí)拉伸響應(yīng)曲線呈線性增加，對(duì)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)階段在拉伸曲線上的反應(yīng)；（b）四個(gè)變形階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖

根據(jù)雙金屬的變形過程可建立簡(jiǎn)化力學(xué)分析模型。圖3 為Mg/Ti雙金屬拉伸時(shí)的簡(jiǎn)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(dòng)，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(xiǎn)截面。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有空間對(duì)稱性，以單根桿為研究對(duì)象，如圖3（b）所示，可建立危險(xiǎn)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(jiǎn)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(gè)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(xiǎn)截面的應(yīng)力公式，如式（1）所示。當(dāng)傾斜角不變時(shí)，長(zhǎng)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(zhǎng)徑比增加（桿徑減�。┲烈欢ㄖ禃r(shí)，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(xiǎn)截面應(yīng)力，F(xiàn)Z為簡(jiǎn)化的合力；ds為桿徑；ω為桿單元傾斜角度；x為危險(xiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)徑比的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（d）-（f）不同長(zhǎng)徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖；  

圖5為不同長(zhǎng)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(duì)比，可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的失效強(qiáng)度變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果得到的規(guī)律一致。當(dāng)長(zhǎng)徑比為3時(shí)，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(shí)，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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)徑比（l/ds）為3時(shí)，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(zhǎng)徑比的增加，桿與節(jié)點(diǎn)處連接的應(yīng)力集中會(huì)使得失效形式從Mg基體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)門i桿斷裂。

團(tuán)隊(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、工信部智能制造新模式項(xiàng)目、寧夏自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大項(xiàng)目）、重慶市科技攻關(guān)重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)目50余項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外專業(yè)期刊及會(huì)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(xiàng)。獲得國(guó)家教育部及重慶市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，中國(guó)汽車工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。


辜誠(chéng)，副研究員，從事輕合金凝固過程集成計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目、重慶市工業(yè)設(shè)計(jì)強(qiáng)基計(jì)劃等科研項(xiàng)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(xiàng)。

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(bào)》等國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表論文5篇。