Mg-Al液固擴散連接界面特性的數(shù)值計算.pdf

1、隨著使用環(huán)境越來越復雜，單一材料已無法滿足需求，這就體現(xiàn)出異種金屬連接的重要性。鎂合金和鋁合金是應用最為廣泛的兩種輕量化金屬材料，但鎂和鋁易氧化，二者膨脹系數(shù)差異較大，且易反應形成脆性金屬間化合物等，這些特點都使得鎂合金和鋁合金的焊接很困難。除了必要的實驗研究以外，數(shù)值模擬技術也是一種有效的研究手段，可以在預先判斷出不同的實驗參數(shù)對實驗結果的影響。本文主要針對液態(tài)鎂（合金）壓鑄包覆固態(tài)鋁（合金）（即一種異種金屬“液固復合”工藝）中的關鍵

2、技術開展理論和相關實驗研究，主要包括:
　　(1)采用鋅酸鹽表面處理技術加電鍍鋅以及添加微量元素Ga的方法去除固態(tài)鋁（合金）表面的氧化膜;
　　(2)運用流體動力學和流體體積模型來模擬計算液態(tài)鎂合金（AM60）在固態(tài)鋁合金(A390)表面上的流動，并分析不同鎂合金含量和鋁合金預熱溫度對其的影響;
　　(3)運用有限元來模擬計算AM60/A390液固復合界面的殘余應力分布情況，并分析不同鎂合金含量和鋁合金預熱溫度對其的影

3、響;
　　(4)采用分子動力學研究純鎂/純鋁，液/固復合界面的原子擴散及其原子富集分布，并通過與理論計算以及實驗數(shù)據(jù)相對比，得出擴散時間以及界面厚度。主要研究結果如下:
　　(1)利用“鋅酸鹽表面處理技術”和電鍍Zn技術可以有效去除固態(tài)純鋁和A390鋁合金表面的氧化鋁膜，并可獲得液固復合工藝所要求的有效Zn層厚度，確定了液態(tài)AM60鎂合金和表面處理后的固態(tài)純Al（或A390）液固復合的優(yōu)化工藝，獲得了冶金結合的、界面強度可達

4、60.6MPa的Mg/Al液固復合樣品。
　　(2)采用流體動力學(CFD)和流體體積模型(VOF)研究AM60鎂合金液滴在固態(tài)A390鋁合金襯底上的運動分布情況，并引入鋪展因子(spread factor)這一參數(shù)來表征鎂合金液滴在鋁合金襯底上的分布。研究發(fā)現(xiàn)，整個過程可以分為(a)鋪展、(b)回彈、(c)抖動以及(d)平衡四個階段。通過研究不同的接觸速度、液滴尺寸以及預熱溫度，來研究這些參數(shù)對液滴運動過程四個階段的影響。對于鋪

5、展階段:較大的接觸速度會得到較大的鋪展因子峰值。隨著液滴尺寸的增加，該階段的時間也會相應增加，即鋪展時間越長，預熱溫度對該階段影響較小;對于回彈階段:接觸速度影響較小，液滴尺寸會導致這一階段時間延長，很久才會進入抖動階段。而預熱溫度會增加液滴的回彈量，表現(xiàn)為液滴運動幅度較大;對于抖動階段:三者都有影響，接觸速度和預熱溫度主要是增加抖動幅度，而較大的液滴尺寸會縮短抖動時間。通過這些模擬計算結果，可以指導AM60/A390液固復合實驗，選取

6、合適的液滴尺寸、滴落高度以及預熱溫度。
　　(3)通過有限元法和生死單元技術，對AM60鎂合金/A390鋁合金液固復合樣品進行熱-力耦合計算，得出樣品內部的殘余應力分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，復合鑄造樣品冷卻之后，鎂合金一側呈現(xiàn)出拉應力，鋁合金一側呈現(xiàn)為壓應力。研究分析三個應力分量的分布情況，在平板兩邊存在應力集中的現(xiàn)象，并且會出現(xiàn)拉應力與壓應力相互轉變的情況，這也是兩側容易發(fā)生裂紋等缺陷的原因。通過研究鋁合金的預熱溫度和鎂合金液滴的量對

7、雙金屬界面結合的影響，發(fā)現(xiàn)隨著鎂合金量的增加，樣品內部的應力逐漸增加;較大的鋁合金層預熱溫度會產(chǎn)生較大的內應力。分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高預熱溫度會使鋁合金表面熔化，從而導致金屬間脆性相的生成，而低預熱溫度又會降低鎂合金層在鋁合金層表面的潤濕。結合實驗以及計算結果，得出在700℃爐溫內預熱90s為合理的預熱溫度。
　　(4)運用分子動力學技術以及實驗觀測手段，研究了液態(tài)純鎂和固態(tài)純鋁結合界面處原子分布情況、擴散系數(shù)以及界面長度。結果表面