Al-Fe雙金屬管磁脈沖復(fù)合變形行為及界面微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)制.pdf

1、雙金屬復(fù)合管（又稱雙金屬管）作為一類管形層狀復(fù)合材料，充分利用了基管和復(fù)管的優(yōu)勢(shì)性能。相對(duì)于單一組元材料的金屬管，雙金屬復(fù)合管具有節(jié)約貴重金屬、降低成本、擴(kuò)展功能等優(yōu)勢(shì)，因而可被廣泛的應(yīng)用于石油、化工、制冷和核電等領(lǐng)域。然而，雙金屬管的種類及適用范圍極大受限于制備雙金屬復(fù)合管的復(fù)合技術(shù)。由于工藝原理上的限制，目前各類復(fù)合技術(shù)在界面復(fù)合質(zhì)量、環(huán)保等方面存在不足，迫切需要探索雙金屬管復(fù)合新技術(shù)。本文提出了利用脈沖電磁力進(jìn)行長直金屬管材復(fù)合的

2、新方法——磁脈沖復(fù)合法。以Al/Fe雙金屬管為研究對(duì)象，開展了鋁管襯于鋼管內(nèi)壁的內(nèi)襯型和鋁管包覆于鋼管外壁的外包覆型雙金屬管磁脈沖復(fù)合方法的試驗(yàn)研究，對(duì)雙金屬管在漸進(jìn)脈沖電磁力作用下的變形行為、復(fù)合界面微觀結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)制等內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法從原子尺度探討了Al/Fe磁脈沖復(fù)合界面基體元素動(dòng)態(tài)擴(kuò)散機(jī)制。
　　針對(duì)內(nèi)襯型雙金屬復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過復(fù)管脹形變形與基管實(shí)現(xiàn)復(fù)合的加工模式進(jìn)行了內(nèi)襯型Al/Fe雙

3、金屬復(fù)合管的制備，研究中討論了主要工藝參數(shù)（如送進(jìn)量、放電能量、基/復(fù)管初始徑向間隙等）對(duì)復(fù)合管結(jié)合強(qiáng)度的影響。在外包覆型Al/Fe雙金屬管的制備過程中，通過引入集磁器工裝，獲得了具有冶金結(jié)合效果的Al/Fe復(fù)合界面。
　　通過建立漸進(jìn)脈沖電磁力作用下管-管磁脈沖復(fù)合過程的有限元分析模型及數(shù)值模擬流程，對(duì)外包覆型Al/Fe雙金屬管磁脈沖復(fù)合過程塑性變形規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合管表面出現(xiàn)“竹節(jié)”狀輪廓的“凸棱”缺陷是由于復(fù)管在漸進(jìn)分

4、區(qū)復(fù)合過程中過渡變形區(qū)與待變形區(qū)的變形不協(xié)調(diào)而引起，進(jìn)而提出了通過優(yōu)化設(shè)計(jì)集磁器工作區(qū)結(jié)構(gòu)使磁場(chǎng)空間分布與復(fù)管變形輪廓吻合的方法來實(shí)現(xiàn)復(fù)管的協(xié)調(diào)變形控制。
　　對(duì)1060Al/20＃鋼磁脈沖復(fù)合界面的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，復(fù)管的變形協(xié)調(diào)性對(duì)復(fù)合管界面結(jié)合強(qiáng)度的分布產(chǎn)生了重要影響，在協(xié)調(diào)變形的條件下，對(duì)于界面相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度（相對(duì)鋁母材的剪切強(qiáng)度）達(dá)到100％區(qū)域，其軸向長度可占到復(fù)合區(qū)長度的50%。通過對(duì)1060Al/20＃鋼

5、雙金屬管磁脈沖復(fù)合界面的宏觀形貌特征進(jìn)行進(jìn)一步分析，建立了界面力學(xué)性能與復(fù)合界面組織的關(guān)聯(lián)機(jī)制。
　　通過TEM技術(shù)首次觀察了1060Al/20＃鋼磁脈沖復(fù)合擴(kuò)散界面的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明：擴(kuò)散界面僅是一條寬度約10nm、原子呈無序結(jié)構(gòu)排列的邊界層，其兩側(cè)為母材基體，鋼側(cè)為納米級(jí)長條狀的Fe晶粒，Al側(cè)的三角晶界附近發(fā)生了無序化反應(yīng)，生成的非晶相成分與Al晶?；w一致。從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面分析了擴(kuò)散界面中無序化邊界層的形成機(jī)制，并

6、進(jìn)行了Al/Fe磁脈沖復(fù)合界面基體元素?cái)U(kuò)散過程的分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究，結(jié)果表明，形成了基體元素呈梯度分布的Al/Fe擴(kuò)散界面主要是Fe原子在無序化Al基體中的快速遷移。
　　同時(shí)研究了帶過渡區(qū)的1060Al/20＃磁脈沖復(fù)合界面的微觀組織結(jié)構(gòu)特征，TEM觀察發(fā)現(xiàn)，過渡區(qū)內(nèi)包含了原子呈無序結(jié)構(gòu)排列的基體相和彌散分布于其中的具有超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的Al/Fe有序相，無序基體相中氧元素的含量可占到10at.%，緊鄰過渡區(qū)的鋼側(cè)發(fā)現(xiàn)了Fe的

7、攣晶組織，鋁側(cè)為Al的亞晶粒，而局部選區(qū)則為柱狀晶組織，分析表明，帶過渡區(qū)的1060Al/20＃磁脈沖復(fù)合界面是由于過渡區(qū)熔化而后凝固所形成的熔合界面。
　　針對(duì)接觸界面材料的變形特點(diǎn)，利用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法對(duì)Al/Fe沖擊接觸界面的金屬射流及界面劇烈剪切變形行為進(jìn)行了研究，建立了復(fù)管沖擊接觸碰撞的2D軸對(duì)稱SPH模型，分析了界面物理場(chǎng)的分布情況。分析結(jié)果表明，在磁脈沖復(fù)合過程中，單一的渦流熱效應(yīng)不足以引起復(fù)合界面材

8、料發(fā)生熔化，渦流和沖擊接觸界面材料塑性變形的聯(lián)合作用則可以使界面溫度升高至Al母材的熔點(diǎn)。
　　通過分析SPH數(shù)值模擬和熔合界面微觀結(jié)構(gòu)TEM觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了因Al母材基體熔化而形成熔合界面之外，界面射流被“捕捉”是形成熔合界面的另一誘因。對(duì)于1060Al/20＃鋼雙金屬管的磁脈沖復(fù)合過程而言，帶過渡區(qū)的復(fù)合界面是擴(kuò)散界面在外界輸入能量進(jìn)一步升高之后的演變結(jié)果。寬度達(dá)到幾十微米的熔合界面則是在Al母材基體熔化和界面射流被“捕捉”