山东大学张存生团队：把钢丝和铝合金挤压成复合材料！

研究人员选用Al-Mg-Si系铝合金作为基体，镀锌钢丝用作增强纤维，通过挤压制备成复合型材。研究了Al/Al焊合界面的组织演变以及Fe/Al扩散界面的扩散行为，探讨了增强材料对复合型材的机械性能的影响。

铝合金型材由于其密度低，比强度高，耐腐蚀性优异和可回收性良好而被广泛用于建筑，轨道交通，航空航天等行业。热挤压工艺是生产铝合金型材的主要方法，将高温铝棒通过模孔挤出以形成具有特定横截面形状的型材。但是，通过热处理提高铝合金型材机械强度的能力有限，因此考虑使用强度更高的原材料进行挤压，即连续挤压纤维增强铝基复合材料型材。通过使用改进的挤压模具，可以通过嵌入增强纤维并使它们粘结在一起进而获得复合型材。该新工艺具有改善铝合金型材的力学性能和功能多样性的巨大潜力，因此引起了相关制造商和研究人员的广泛关注。同时，纤维增强复合型材在铁路运输，车辆空间框架，飞机纵梁等行业有巨大应用空间。虽然现阶段对复合型材已有部分研究，但仍不清楚界面的微观组织演变和挤压复合型材的力学性能增强机理。

山东大学张存生课题组最近研究制备了钢丝增强复合型材，揭示了Fe/Al扩散界面的微观结构和演化行为，探讨了纤维复合材料性能的强化机理。相关论文以题为“Interface microstructure evolution and mechanical properties of the extruded fiber-reinforced aluminum-based composite bar”发表在Materials and Design。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519308846

研究人员选用Al-Mg-Si系铝合金作为基体，镀锌钢丝用作增强纤维，通过挤压制备成复合型材。研究发现连续挤压过程中，存在两种界面接触。一种是Al/Al界面的固相键合和微结构复合，另一种是Fe/Al界面的键合和扩散。

图 实验模具装置及设计示意图

Al/Al界面的微孔演变与热变形之间的关系描述如下：（1）首先，两股金属在焊接室内交互接触。一方面，由于在最初的挤出阶段焊合室内的空气没有完全排出，两股金属的表面被严重氧化；另一方面，由于存在金属表面粗糙和原始焊接力的不稳定，所以没有形成结合界面，导致界面上出现大量的氧化物和微孔；（2）随着金属继续填充以及焊合温度逐渐稳定，焊合界面上的微孔减少，氧化膜碎裂并在铝基质中的溶解；（3）随着挤压的进行，氧含量逐渐消耗，金属表面的氧化物含量降低，有利于Al原子的固相扩散，进而促进了新晶粒的重组和形成；（4）挤压逐渐进入平稳阶段，微孔最终消失。

图1 焊合界面微观结构和SEM图像

图2 Al/Al焊合界面处的晶粒结构的EBSD图像

Fe/Al界面的组织演变与热变形之间的关系描述如下：（1）当铝基体与钢丝接触时，导致在截面上形成附着在钢丝绳上的薄铝层；（2）由于挤压过渡阶段的不稳定性，钢丝附近保留了较多微孔；（3）在挤压变形的作用下，Fe/Al界面上形成了Fe/Al扩散区，但在稳定的挤压阶段没有形成稳定的金属间化合物。

图3 钢丝和铝基之间的粘结界面

图4Fe/Al扩散界面的SEM图像以及不同部分的元素分析

图5 Fe/Al界面的EPMA-WDS线扫描分析

通过对性能测试后的材料分析得知，压痕处硬度和弹性模量值的差异主要受Zn元素浓度分布的影响。扩散区的硬度值明显高于铝基体和钢丝，表明Fe/Al扩散层是脆性的。但是，扩散区域的弹性模量值比钢丝的弹性模量值略低，这表明Fe/Al扩散层的弹性变形阻力略低于钢丝。增强材料能够极大地影响复合材料机械性能。钢丝对抗拉强度的提高不明显和复合型材的伸长率较低是因为钢丝的股之间存在相当大的间隙以及Fe/Al界面的状态不良。复合型材与铝合金棒的机械性能的差异取决于纤维性能，纤维类型和粘结状态。

本研究通过不同的材料表征方法研究了Al/Al焊合界面的组织演变以及Fe/Al扩散界面的扩散行为，探讨了增强材料对复合型材的机械性能的影响。研究者相信在不久的将来，通过获得具有良好粘合界面的复合型材，材料的机械性能将大大提高。（文：破风）