秦 亮,余 秀,金一鳴,金躍鯉,張 超,李 坤

(1.江蘇科技大學 冶金與材料工程學院,張家港215600)(2.江蘇科技大學 蘇州理工學院 冶金與材料工程學院,張家港215600)

目前,材料輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域研究的熱點,復合材料尤其是層狀復合材料目前已成為材料輕量化技術(shù)的一種趨勢[1-5]．鈦合金具有高比強度、良好的耐腐蝕性及穩(wěn)定的中溫性能,而鋁合金具有低密度、良好導熱性等優(yōu)點,將兩者進行復合形成新型的Ti/Al層狀復合材料現(xiàn)已成為人們進行輕量化設計所關(guān)注的焦點．

國內(nèi)外關(guān)于Ti/Al層狀復合材料的制備方法主要有:軋制法、物理氣相沉積法、爆炸復合法、釬焊法、熱壓復合法等．① 軋制法:熱軋復合是常用的制備Ti/Al層狀復合材料的方法[6-8],但是熱軋工藝參數(shù)控制要求嚴格,軋制溫度,每道次應變量以及應變率等都是影響層板性能的重要因素;② 物理氣相沉積法:此方法多用于制備一些超微薄的層狀復合材料[9-10],制備工藝重復性好,工序也較簡單,但是得到的復合層板性能較差,不能滿足實際應用;③ 爆炸復合法:爆炸復合法是較高效的制備方法,而且界面結(jié)合強度較高,但是往往會由于爆炸瞬間能量過高形成波狀界面,以及形成脆性相影響層板性能[11-12];④ 釬焊法:激光熔釬焊是近年來用于連接異種金屬較新穎的方法,方法靈活,但對于層數(shù)較多的異種材料進行連接制備較為不便[13];⑤ 熱壓復合法：熱壓復合法是制備Ti/Al層狀復合材料的方法中可重復性高并且較穩(wěn)定的方法,而且制備的層狀金屬板材力學性能良好[14]．目前研究大都集中在材料的制備、界面的反應以及力學性能等方面,文獻[15]通過熱壓法控制不同反應溫度制備了具有金屬間化合物Al3Ti的Ti/Al層狀復合材料;文獻[16]研究了Ti-(TiB2Al)層狀復合材料界面處Al3Ti在熱壓過程中的動力學;文獻[17]也對Ti/Al層狀復合材料制備過程溫度對金屬間化合物的影響進行了研究,尤其是反應過程中是否有鋁剩余對生成金屬間化合物種類的影響;文獻[18]研究了TA1/Al層狀復合管的塑性變形能力,發(fā)現(xiàn)Ti/Al復合管具有很好的塑性,可承受較大的塑性變形;文獻[14]對不同金屬間化合物Al3Ti含量的Ti/Al層狀復合材料力學性能;文獻[19]對Ti/Al層狀復合材料的成形能力進行了初步探討，但對變形過程中的界面應力以及界面對整體變形的影響機制都鮮有研究,而層狀復合材料的多層界面結(jié)構(gòu)是影響整體變形的關(guān)鍵因素,因此有必要對界面變形機制及其對整體變形的影響進行系統(tǒng)研究．

本研究采用熱壓復合法制備了具有9層結(jié)構(gòu)厚度僅為1.15 mm的Ti/Al薄板,并對Ti/Al層狀復合材料進行拉伸以及彎曲變形,對塑性變形過程中界面的協(xié)調(diào)變形機制進行詳細地研究．為具有層狀結(jié)構(gòu)的Ti/Al薄板進行塑性變形提供一定的成形工藝參數(shù)和理論支撐．

1 試驗

本試驗所用的Ti箔牌號為TA1,厚度為0.15 mm,Al箔牌號為1060,厚度為0.1 mm．首先采用剪板機將Ti箔和Al箔切割成100 mm×100 mm的正方形．對Ti箔和Al箔進行表面的去油清洗,然后分別對Ti箔進行酸洗,對Al箔進行先堿洗再酸洗,清水洗凈后吹干．把5層Ti箔和4層Al箔交替疊放,且Ti箔在最外層．待最外層材料表面涂好阻焊劑后放入真空熱壓爐中,按照圖1的工藝曲線進行熱壓制備．真空熱壓設備為上海晨華科技股份公司生產(chǎn)的ZT-40-21Y型真空熱壓燒結(jié)爐,試驗真空度保持不低于10-3Pa,本試驗所采用的熱壓工藝方案主要建立在前期研究的基礎上,升溫速率約8 ℃/min,升壓速率約0.3 t/min,其他參數(shù)本試驗不做討論．

圖1 真空熱壓制備工藝曲線Fig.1 Experimental procedure curve of fabricating theTi/Al laminated composites

將制備得到的Ti/Al層狀復合材料用線切割機進行切割,機械拋光后采用JSM-6510LA型掃描電鏡進行微觀形貌分析以及能譜分析．并在SANS UTM5205萬能拉伸機上(圖2)分別進行不同變形量的拉伸試驗和彎曲試驗,對變形后的復合材料進行機械拋光,并在掃描電鏡下觀察界面形貌．由于本試驗并不具體研究拉伸和彎曲性能,重點關(guān)注拉伸和彎曲變形的過程,因此拉伸和彎曲試樣采用非標尺寸,如圖3．

圖2 SANS UTM5205萬能拉伸機Fig.2 SANS Universal testing machine 5205

圖3 拉伸及彎曲試樣圖(單位:毫米)Fig.3 Figures of tension and bending specimen(unit: mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Ti/Al層狀復合材料界面形貌

經(jīng)過550 ℃,5 MPa真空熱壓3 h后,得到的Ti/Al層狀復合材料界面微觀形貌如圖4(a),界面平直且均勻，沒有任何夾雜及裂紋等缺陷．通過掃描電鏡線掃描得到界面處的元素分布如圖4(b),從Al基體一側(cè)到Ti基體一側(cè),界面處Al元素含量驟減到0;從Ti基體到Al側(cè),界面處Ti元素含量驟減到0．相交處無任何平臺,說明沒有一定元素分配比例的化合物產(chǎn)生．但元素變化的相交處仍有約3 μm的寬度,擴散層非常薄,說明Ti元素和Al元素發(fā)生了互擴散,在界面處形成了一定的冶金結(jié)合．

圖4 550℃下的Ti/Al復合層板界面Fig.4 Cross-section of the composites hotpressed at 550 ℃

2.2 Ti/Al層狀復合材料拉伸變形過程研究

將Ti/Al層狀復合材料進行室溫拉伸試驗,得到如圖5的應力-應變曲線．Ti/Al層狀復合材料的延伸率可以達到29.8%．隨后對Ti/Al層狀復合材料拉伸過程的進行不同拉伸量的變形(4%、8%、16%、20%、24%、26%)．通過對不同拉伸變形量的Ti/Al層狀復合材料界面進行掃描電鏡觀察,對比拉伸過程中界面的不同變化,從而得到Ti/Al層狀復合材料拉伸過程的界面協(xié)同變形規(guī)律．

圖5 Ti/Al層狀復合材料應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the Ti/Allaminated composites

拉伸變形量為0時的Ti/Al層狀復合材料界面如圖6(a),界面平直且無任何裂紋和分層,是本試驗參數(shù)下得到的完好初始界面形貌．拉伸變形量為4%時的Ti/Al層狀復合材料界面仍然保持完好,無任何裂紋和分層的出現(xiàn),如圖7(b)．說明Ti/Al層狀復合材料界面處Ti層和Al層之間達到了較好的冶金結(jié)合．

圖6 無拉伸變形量的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.6 Morphology of the Ti-Al layers attensile elongation of 0

圖7 4%拉伸變形量的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.7 Morphology of the Ti-Al layers attensile elongation of 4%

隨著拉伸變形量的進一步增大,發(fā)現(xiàn)當變形量達到8%時,Ti層和Al層界面處出現(xiàn)了微小的分層裂紋,并且只有局部萌生這樣的微觀裂紋,大部分界面還仍然保持著較好的結(jié)合．說明,Ti層和Al層的變形開始出現(xiàn)不協(xié)調(diào)．當變形量達到16%時,不僅分層開裂變大了,而且出現(xiàn)了多處開裂位置．當拉伸變形量達到20%時此現(xiàn)象更加明顯,并且局部開裂會橫向擴展相接,連成較長的裂紋．而當拉伸變形量達到24%時,如圖8(d),出現(xiàn)了多處連接在一起的分層裂紋．對局部進行放大發(fā)現(xiàn),Ti層和Al層界面出現(xiàn)開口較大的裂紋其實質(zhì)是Ti層發(fā)生了較大的塑性變形,甚至有向頸縮發(fā)展的趨勢,因此此處應該是容易出現(xiàn)斷裂的位置．這主要是因為Ti的塑性較Al的塑性稍差,因此塑性變形比Al更大,也說明此時Ti層和Al層的變形出現(xiàn)了極度的不協(xié)調(diào),是斷裂的前兆．

Ti/Al層狀復合材料在拉伸過程中,隨著拉伸變形量的增大,在界面處首先出現(xiàn)局部微觀裂紋萌生,然后裂紋逐漸擴展并相互連接,最終形成界面的整體分層．由于Ti/Al層狀復合材料是Ti層和Al層兩種塑性差異較大的材料組成,因此在拉伸變形過程中兩者的變形出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象．這種不協(xié)調(diào)主要體現(xiàn)在界面處,因為界面是兩種材料不協(xié)調(diào)變形的主要受力處,界面處承受切向和法向兩個方向的力,一旦無法協(xié)調(diào)兩種材料的變形,界面就會萌生裂紋．同時由上述的拉伸過程研究發(fā)現(xiàn),當變形無法協(xié)調(diào)時,裂紋只在界面處萌生和橫向擴展,并沒有向Ti層或Al層萌生,說明Ti層和Al層具有良好的塑韌性,可以阻止裂紋的萌生．

圖8 8%～24%拉伸變形量的Ti/Al層狀復合材料Fig.8 Morphology of the Ti-Al layers attensile elongation of 8%～24%

圖9 拉伸斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the Ti/Allaminated composite

如圖9，對拉伸之后的斷口進行掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),Ti層和Al層中間已經(jīng)有縫隙,即從界面處看到的分層現(xiàn)象．而Ti和Al由于都有一定的塑韌性,因此斷口仍然呈現(xiàn)的是韌性斷裂,有大量韌窩存在．只是Ti和Al的韌性不同,韌窩的大小和分布也有所區(qū)別．Al的塑韌性較Ti的更好,因此韌窩也較大,較深,而Ti的韌窩較小,較淺．

2.3 Ti/Al層狀復合材料彎曲變形過程研究

本試驗還對Ti/Al層狀復合材料彎曲變形過程進行了研究,選取了若干不同彎曲角度進行變形,并對彎曲部位截取進行金相處理再用掃描電鏡進行觀察．彎曲過程采用如圖10的三點彎曲試驗裝置，根據(jù)GBT 232-2010進行彎曲試驗過程,彎曲模頭部彎曲半徑為3 mm,彎曲試樣尺寸為60 mm×30 mm,跨距為7.65 mm．將Ti/Al層狀復合材料試樣分別彎曲至30°、60°、90°、100°、120°、140°、160°、180°8個角度(圖11)．彎曲角度較大時,采用對兩平行壓板兩端連續(xù)施加壓力使材料彎曲變形到指定角度的方法,Ti/Al層狀復合材料則置于兩平行板之間．

圖10 Ti/Al復合層板材料三點彎曲試驗裝置Fig.10 Apparatus for the three-point bending test

圖11 不同彎曲角度試樣宏觀形貌Fig.11 Macro morphology of the Ti/Al laminatedcomposite after bending to different angles

當彎曲角度在30°～90°時,從宏觀以及Ti/Al層狀復合材料界面(圖12)都沒有看到微觀裂紋的產(chǎn)生,說明在這個彎曲角度范圍沒有微觀裂紋的萌生．可以在較小的角度范圍內(nèi)對Ti/Al層狀復合材料界面進行彎曲塑性變形．

圖12 彎曲角度30°～90°的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.12 Morphology of the Ti-Al layers atbending angles of 30°～90°

進一步增加彎曲角度,當達到100°～140°時(圖13),宏觀上無明顯開裂現(xiàn)象,微觀Ti/Al層狀復合材料界面整體基本還保持良好的結(jié)合,只有局部有凸起現(xiàn)象,這些可能會成為裂紋萌生的位置,還需進一步增加變形角度進行研究．說明Ti/Al層狀復合材料界面可能承受較大程度的彎曲變形,適合進行大彎曲變形量的塑性加工,為其加工復雜構(gòu)件提供了可能．這應該和Al本身較好的塑韌性有關(guān),在彎曲變形中減少了應力集中,不易形成微觀裂紋萌生的核心．

圖13 彎曲角度100°～140°的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.13 Morphology of the Ti-Al layers atbending angles of 100°～140°

如圖14,當彎曲角度達到160°時,從Ti/Al層狀復合材料的微觀界面可以看出,雖然沒有明顯的分層現(xiàn)象,但是已經(jīng)局部出現(xiàn)微小的裂紋,這是因為隨著彎曲角度的增大,Ti層和Al層的變形逐漸無法達到一致,界面的結(jié)合力無法承受彎曲變形給界面帶來的法向和切向力．

圖14 彎曲角度160°的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.14 Morphology of the Ti-Al layers atbending angles of 160°

當彎曲角度再進一步加大達到180°時,此時已經(jīng)是所能達到的最大彎曲變形量了．從Ti/Al層狀復合材料的界面來看(圖15),局部裂紋已經(jīng)擴展連成較大的分層,但整體界面來看并沒有形成大的開裂．在Ti/Al層狀復合材料彎曲的最內(nèi)側(cè),Ti層受到了擠壓出現(xiàn)褶皺,但Ti和Al界面結(jié)合處并沒有出現(xiàn)裂紋或者分層,說明Ti/Al層狀復合材料整體的塑性變形能力很強,能承受很大的彎曲塑性變形．即使彎曲達到最大變形量,也不會導致材料的斷裂失效．

圖15 彎曲角度180°的Ti/Al層狀復合材料界面Fig.15 Morphology of the Ti-Al layers atbending angles of 180°

從彎曲變形的過程可以看出,隨著彎曲變形量的增加,主要是在界面萌生微觀裂紋,而后裂紋沿界面擴展相連．直到最大的彎曲變形,復合材料也不會發(fā)生斷裂,只有材料的褶皺和界面的分層出現(xiàn)．如果從塑性加工成形的角度來看,Ti/Al層狀復合材料可以承受大角度的彎曲變形．

3 結(jié)論

(1) 通過550℃,5 MPa熱壓3 h成功制備了9層結(jié)構(gòu)的Ti/Al層狀復合材料,且界面均勻平直．

(2) 熱壓制備的Ti/Al層狀復合材料拉伸延伸率可以達到29.8%,拉伸變形過程中裂紋首先萌生在Ti層和Al層的界面處,隨著拉伸變形量的增加擴展延伸相連,最終界面處形成分層導致整體斷裂．

(3) Ti/Al層狀復合材料彎曲變形過程中裂紋首先萌生在界面處,但是直到彎曲變形達到140°時才開始有裂紋出現(xiàn),達到最大彎曲角度180°時,也只有較少的界面分層,材料整體不會斷裂．