新型鋁-鋼復合材料制備工藝研究

李豪，楊洋，趙惠，杜琦，黃海，胡康康

1.西安石油大學材料科學與工程學院 陜西西安 710065

2.西安市高性能油氣田材料重點實驗室 陜西西安 710065

1 序言

爆炸焊接技術所需的裝置簡單，操作方便，加工成本低廉，同時該技術對工件表面清理要求較低，制備出的復合材料具有較高的結合強度，因此被廣泛地應用在層狀復合材料生產中[1-5]。

鋁-鋼復合材料因兼具鋁及其合金的低密度、耐腐蝕和鋼的高強度優點，在交通領域中具有較大的需求，如在船舶上采用鋁-鋼復合材料，可起到穩固連接甲板（鋼材料）和船艙（鋁合金）的作用，從而保證船舶的安全運行。但是，鋁合金與鋼的物理、化學性能差別較大，采用傳統熔化焊無法實現兩種材料的有效連接，因此爆炸焊接技術成為層狀鋁-鋼復合材料的主要制備技術[6-11]。但是，采用爆炸焊接方法制備鋁-鋼復合材料時，由于鋁元素和鐵元素化學或冶金相容性差，界面易生成大量的化合物，這些化合物硬且脆，嚴重影響復合材料的結合質量，導致材料無法實現工程應用，因此在實際生產過程中，為提高鋁-鋼復合材料的結合質量，往往會引入純鈦或純鋁作為鋁合金與鋼材料的過渡層[6-10]，以提高復合材料的結合質量。但是，界面是復合材料的薄弱位置，如果在制備鋁-鋼復合材料中使用過渡層，則材料內部將會出現兩個界面，從而提高了復合材料失效的風險。

為減少復合材料的界面問題，本次試驗通過合理設計爆炸焊接參數，直接將鋁合金與鋼進行復合連接，通過分析界面區域的微觀組織和力學性能檢測，來評估該類復合材料的結合質量，為生產新型鋁-鋼復合材料提供數據支撐。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用材料為船舶常用的5083鋁合金和船級鋼板（牌號CCSB），尺寸均為500mm×240mm×4mm，5083鋁合金與CCSB兩種材料的化學成分見表1。

表1 5083鋁合金和CCSB鋼板的化學成分（質量分數）（%）

2.2 試驗與檢測

采用Axio Vert.A1型金相顯微鏡觀察5083-CCSB復合材料的微觀組織形貌。通過彎曲試驗和剪切試驗對復合材料的結合質量進行評估，兩種試驗均在MODEL55100型電子萬能試驗機上進行，其中剪切試樣如圖1所示，彎曲試驗的彎曲角為180°，彎心半徑為4t（t為5083鋁合金的厚度）。

圖1 5083-CCSB復合材料剪切試樣

3 結果與討論

爆炸焊接后，5083-CCSB復合材料試板的宏觀表面光滑完整，無燒蝕、褶皺等缺陷，鋁合金表面仍然保持金屬光澤（見圖2）。對復合材料側面（厚度方向）進行滲透檢測（見圖3）。從圖3可看出，復合材料的界面無分層、開裂等缺陷。

圖2 爆炸焊接后的5083-CCSB試板

圖3 5083-CCSB滲透檢測后的試樣

為進一步評估復合材料的結合質量，對5083-CCSB復合材料的界面區域進行微觀組織檢測，結果如圖4所示。從圖4a可看出，復合材料呈現出爆炸焊接特有的波形界面，界面均勻一致，無裂紋、分層和孔洞等缺陷，但界面處波峰前端存在熔化塊。從圖4b可看出，這些熔化塊呈斷續狀存在波峰處，這可能是在爆炸焊接過程中，5083鋁合金在爆炸載荷的作用下高速劇烈地撞擊CCSB鋼板，導致界面局部出現能量過大而產生熔化塊，但這些熔化塊是斷續地分布在波峰處，對界面的結合強度影響不大[7-9]。為觀察界面處熔化塊狀態，采用掃描電鏡（SEM）對復合板界面進行檢測，結果如圖5所示。從圖5可看出，部分熔化塊內部有裂紋，但這些熔化塊與5083鋁合金和CCSB鋼板連接緊密，兩種材料之間無分層等缺陷。

圖4 5083-CCSB界面微觀組織（OM）

圖5 5083-CCSB界面微觀組織（SEM）

對5083-CCSB復合材料進行力學性能檢測，結果如圖6～圖8所示。從圖6可看出，剪切斷口均出現在界面處。從圖7可看出，復合材料的剪切強度分別為72MPa、81MPa和69MPa，平均值達到74MPa，達到CB 20091—2012《鋁合金-鋁-鋼（不銹鋼）復合過渡接頭規范》的要求（≥60MPa）[11]，這表明復合材料的結合強度滿足工程應用需求。從圖8可看出，試樣彎曲到180°后，兩種材料仍然緊密地連接在一起，界面未出現分層與開裂等缺陷，結合質量良好。

圖6 5083-CCSB復合材料剪切后的試樣

圖7 剪切試驗結果

圖8 5083-CCSB復合材料彎曲后的試樣

4 結束語

采用爆炸焊接方法可以制備不添加過渡層的新型鋁-鋼復合材料，經過對復合材料進行微觀組織檢測和力學性能評估，得出以下結論。

1）復合材料的界面呈現出爆炸焊接特有的波形界面，且界面均勻完整、無分層。

2）界面處有熔化塊，這些熔化塊斷續地分布在波峰前端，部分熔化塊內部有裂紋。

3）復合材料的剪切強度平均值為74MPa，達到標準要求，彎曲試樣界面無裂紋和分層。檢測結果表明，新型鋁-鋼復合材料具有良好的結合質量，可以進行工程應用。