Al-Fe雙金屬管磁脈沖復合變形行為及界面微觀結構形成機制.pdf

1、雙金屬復合管（又稱雙金屬管）作為一類管形層狀復合材料，充分利用了基管和復管的優(yōu)勢性能。相對于單一組元材料的金屬管，雙金屬復合管具有節(jié)約貴重金屬、降低成本、擴展功能等優(yōu)勢，因而可被廣泛的應用于石油、化工、制冷和核電等領域。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合管的復合技術。由于工藝原理上的限制，目前各類復合技術在界面復合質量、環(huán)保等方面存在不足，迫切需要探索雙金屬管復合新技術。本文提出了利用脈沖電磁力進行長直金屬管材復合的

2、新方法——磁脈沖復合法。以Al/Fe雙金屬管為研究對象，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合方法的試驗研究，對雙金屬管在漸進脈沖電磁力作用下的變形行為、復合界面微觀結構及其形成機制等內(nèi)容進行了重點分析，并利用分子動力學模擬方法從原子尺度探討了Al/Fe磁脈沖復合界面基體元素動態(tài)擴散機制。
　　針對內(nèi)襯型雙金屬復合管的結構特點，通過復管脹形變形與基管實現(xiàn)復合的加工模式進行了內(nèi)襯型Al/Fe雙

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

4、區(qū)復合過程中過渡變形區(qū)與待變形區(qū)的變形不協(xié)調而引起，進而提出了通過優(yōu)化設計集磁器工作區(qū)結構使磁場空間分布與復管變形輪廓吻合的方法來實現(xiàn)復管的協(xié)調變形控制。
　　對1060Al/20＃鋼磁脈沖復合界面的力學性能進行了分析，結果表明，復管的變形協(xié)調性對復合管界面結合強度的分布產(chǎn)生了重要影響，在協(xié)調變形的條件下，對于界面相對結合強度（相對鋁母材的剪切強度）達到100％區(qū)域，其軸向長度可占到復合區(qū)長度的50%。通過對1060Al/20＃鋼

5、雙金屬管磁脈沖復合界面的宏觀形貌特征進行進一步分析，建立了界面力學性能與復合界面組織的關聯(lián)機制。
　　通過TEM技術首次觀察了1060Al/20＃鋼磁脈沖復合擴散界面的結構特征，結果表明：擴散界面僅是一條寬度約10nm、原子呈無序結構排列的邊界層，其兩側為母材基體，鋼側為納米級長條狀的Fe晶粒，Al側的三角晶界附近發(fā)生了無序化反應，生成的非晶相成分與Al晶粒基體一致。從熱力學和動力學兩方面分析了擴散界面中無序化邊界層的形成機制，并

6、進行了Al/Fe磁脈沖復合界面基體元素擴散過程的分子動力學（MD）模擬研究，結果表明，形成了基體元素呈梯度分布的Al/Fe擴散界面主要是Fe原子在無序化Al基體中的快速遷移。
　　同時研究了帶過渡區(qū)的1060Al/20＃磁脈沖復合界面的微觀組織結構特征，TEM觀察發(fā)現(xiàn)，過渡區(qū)內(nèi)包含了原子呈無序結構排列的基體相和彌散分布于其中的具有超點陣結構的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)的鋼側發(fā)現(xiàn)了Fe的

7、攣晶組織，鋁側為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。
　　針對接觸界面材料的變形特點，利用光滑粒子流體動力學（SPH）方法對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行了研究，建立了復管沖擊接觸碰撞的2D軸對稱SPH模型，分析了界面物理場的分布情況。分析結果表明，在磁脈沖復合過程中，單一的渦流熱效應不足以引起復合界面材

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。
　　通過分析SPH數(shù)值模擬和熔合界面微觀結構TEM觀察結果發(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。對于1060Al/20＃鋼雙金屬管的磁脈沖復合過程而言，帶過渡區(qū)的復合界面是擴散界面在外界輸入能量進一步升高之后的演變結果。寬度達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”