多层喷射沉积铝／钢双金属板材的研究

文章编号：１００１—９７３１（２００２）０２—０１６６—０３　多层喷射沉积铝／钢双金属板材的研究’　宁洪龙　，王一平　，黄福祥　，马莒生　，耿志挺　，陈振华。　（１．清华大学材料系，北京１０００８４；２　南京大学物理系，江苏南京２１００９３　３　湖南大学材料系．湖南长抄４１００１２）　摘要：　采用多层喷射沉积技术制备铝／钢双金属板，分析了　喷嘴与基体相对运动速度６０～７Ｏｃ　１／ｓ；　雾化压力Ｐ＝８．１×１０　～１．０１×１０　Ｐ且；　喷射沉积高度２００ｍｍ￣　雾化角ｌ０。，雾化室体积３　，雾化介质　。　热致密化过程采用常用的热轧工艺，在ＬＧＳ００轧机上进　行。　毒中对双金属板界面结合产生影响的因素。结果表瞬多层喷射　沉积技术在制备双金属板材方面有工艺设备简单，结合强度高　等特点。其中在沉积前应对沉乖ｃ的基板进行预热，预热的温度　是兢金属蛄合的关键。另外适当地热轧也能提高铝／钢双金属　的界面结合强度。　关键词：　多层喷射沉积；双金曩：界面　中图分类号：ＴＢ３３ｌ　文献标识码：Ａ　１引　言　喷射沉积技术最早是由英国Ｓｗａｎｓｅａ大学的Ａ．Ｒ．Ｅ．Ｓｉｎｇ—　ｅｒ教授首先提出的【　，其实质是将太块熔体金屑细化，以扩大　金属颗粒总表面积，从而提高金属液体颗粒冷却速率的一种金　属铸造技术　。多层喷射沉积技术的沉积层是经多次沉积而　成的，其技术的影响因翥较多，我国是在国外技术的基础上发展　而来，在传统喷射沉积技术的基础上目ｌ＾了金属射流喷嘴系统　的穆动，是我国自主知识产权的技术　。铝／钢双金属，由于铝　层金属有优良的导热性、导电性、反光性、耐蚀抗氧化性以及良　好的塑性、密度小等特点，而钢叉具有价格低、强度高等特点。　铝／钢双金属材料已经在电解槽、轻工、造船　冶金、原子能等工　业工程领域得到了广泛的运用，甚至民用领域如铝／钢双金属平　底不粘锅也走＾了＾们的日常生活。故研究其复合方法有较大　的实用意义　。　２实验方法　２．１材料准备　圈２　铝／钢履垒属制备的工艺洗程圈　Ｆｉｇ　２　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｂｌｍｅｔａｌ　实验中采用的原材料为Ａ１－４　Ｓｉ音金与普通的２Ｏ＃冷轧　低碳钢板。首先剪扳机上截取５００ｒａｍ×３００ｒａｍ×１ｒａｍ的钢　板，先碱洗去油，再酸洗去锈，干燥后待用【　。在喷射沉积前用　手砂轮或滚花对结合面进行粗糙化处理，再用丙酮清洗残屑ｔ并　用电热装置对基体进行预热。采用工业纯铝与铝硅共晶音金配　２．３实验观察　ＸｊＬ－０２型立式光学显微镜中观察金相组织。采用　ＧＢ８６４２—８８金属热喷涂层结台强度的测定方法测试界面结音强　度。试样的显微硬度采用ＭｅＦ　Ａ显微硬度计测量。采用ｘ＿　６５０日立扫描电镜，对界面进行显微分析，通过线扫描测定界面　处的成分变化曲线。采用排水法测量密度。　制Ａ１－４　Ｓｉ台金，在电阻炉中熔化后先除气、精炼、扒渣后撒上　覆盖剂，保温２０ｒａｉｎ后进行喷射沉积。　２．２实验过程　实验所用的设备为自已加工改进的多层喷射沉积设备，示　意图见图１。实验的工艺流程参见图２。具体工艺参数如下：　导漉管直径０２．８～３ｍｍ｝　金属液流速度Ｖ一３０￣３５ｇ／ｓ；　３结果与讨论　喷射沉积工艺对喷射沉积坯体的沉积状况有较明显的影　响，具体情况如表１和表２所示。　・收稿日期，２００１一Ｏｌ一０２　１６　６　‘功能材料￣２００２ｔ　３３（２）　维普资讯 http://www.cqvip.com

寰Ｌ不同基体温度下界面结台状况　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｖｓ　ｓｕｈｓｔｒａｔｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　度也有明显上升。主要是因为铝沉积层在沉积过程中存在空　隙一当在随后的热轧过程中空隙被压缩，故铝层的密度上升．多　层沉积层之问变得更致密。　墓体温度　一培合状况　不粘姑．即使降低喷射高度也没用　结合盖．降低喷射高度．略有提高　较好，有一定蛄舍，但有部分未姑舍　好．且沉积表面光滑蛄紧　好，但沉积表面粗桂，基体变形　ｌ０℃　２５℃　１５０℃　３５０℃　５５０℃　由上面表１的情况分析可知基体的初始预热温度对喷射沉　图３温度对铝层密度的影响　３　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｖｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　积层与基体结合有影响。破坏铝沉积层与钢基体结合的主要因　素是沉积层与基体间的热膨胀系数不同而产生的层间热应力．　提高基体预热温度．可以减少这种沉积层与基体之问的热应力．　同时提高基底表面温度改善了雾化熔化射流与基体的浸润铺展　条件。沉积层在基体上枯附必须满足一定的基体表面温度条　件．Ｃ．Ｃ．Ａｄｄｉｓｏｎ和Ｂ．Ｃ．ＡＩｌｅｎ等人认为似乎存在一个　合格的　浸润温度『ｃ”，当基体达到这一温度后，可增强熔体与基体间的　浸润　：　『ｃ＋△　＝　囤４温度对铝层的显嫩硬度的影响　Ｆｉｇ　４　Ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｖｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　随热轧温度的提高．热致密化程度越高．铝层的变形程度加　大，铝层发生形变硬化．故铝层的显微硬度也随热轧温度的提高　而上升，而且使沉积的铝层与钢基体在喷射沉积过程中产生的　热应力得到松弛，经测试界面结合强度由原始坯体的６．７３ＭＰａ　上升到１９．７３ＭＰａ。　图５、图６分别为喷射沉积原始坯体和４５０＂Ｃ热轧后的金相　为提润温度Ｉ△　为基体温度上升值，与热量输入和基体的　热导率有美；　一为基体材料或合金中的低熔点者。此处可把　ｕ作为Ａ卜４　Ｓｉ的熔点５７７℃．当基体的预热温度由一ｌＯ℃、　２５＂Ｃ、１５０℃逐渐升高时．要求基体达到Ｔ　的ＡＴ则逐步减少，　特别对于多层喷射沉积工艺，冷却速度大．单层的沉积厚度小于　照片。田７、田８分别为喷射沉积原始坯体和４５０＂Ｃ热轧后的扫　描电镜铝／钢界面成分线扫描Ｊｌｌｌ片（左棚为Ｆｅ，右侧为Ａ１）。　传统喷射沉积的沉积厚度　基体的热量输人较传统喷射沉积工　艺少。当基体的预热温度为３５０℃时．△Ｂ为２２７℃　此时凝固　的铝沉积层热量足以使厚度为１ｒａｍ的钢板产生２２７℃温升；当　基体的温度为～ｌＯ℃时．基体的温度上升值约５８７℃．沉积层输　人热量很难满足此条件；而当基体的预热温度为５５０℃时．则畏　润过程很容易进行．但由于基体温度高．导致敬热条件恶化，沉　积层的冷却速度太小，使沉积层表面液相过多．沉积组织铸态　化。　寰２不同沉积温度下坯体沉积状况　Ｔ　ｂｌｅ　２　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｐｏｓ￣ｅｄ　ｌａｙｅｒ　ｖｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｇ　５　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅａｌ　ｄｅｐｏ￣ｔｉｏｎ　培体温度　沉积坯俸状．兄　７５０℃　？５０＿ｃ　８５０℃　９００℃　９５０℃　沉积困难．呈粉末状．成形性差　可沉靼成形．但枉疏松．类姒粉末　成形性较好，但致密度不够　沉积表面光滑．断面据开后较致密　沉积过程中波相过多．被晓得飞溅　由表２可知沉积温度对沉积垤体的组织有显著影响。当熔　体的温度较小时（７５０℃）　金属液体尚未沉积到钢基体时．基车　已经冷凝成固态，渡相所占份数很少，故沉积体为疏揆的粉末堆　积体；随沉积温度的上升。喷射沉积的金属射流中的液相份数也　增加，沉积坯体的致密度也上升　当沉积温度继续升高，喷射沉　积的金属射流液相份数过多．沉积层表面液膜增厚，沉积表面的　目６　４５０℃赫轧后的盘相照片　Ｆｉｇ　６　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｌｃｍｇｒａｐｈ　ｏｆ　ａ／ｕｍｌｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　４５０＂Ｃ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｌａｎｔ　由田５可知热轧前铝沉积层的组织较疏松。铝层与钢基体　结合界面存在孔隙　而图６中热轧后铝沉积层的组织致密、晶粒　细小　铝层与钢基体结舍紧密．界面无间隙。热轧前后界面铝与　铁元素无明显相互扩散．这有利于防止脆性的铝铁金属间化舍　物的形成。　液相被高速气流吹掉　工艺条件恶化．沉积过程难以继续。　沉积坯体热轧后．铝，钢双金属中铝沉积层的密度随热轧温　度变化情况如躅３所示。铝沉积层的显微硬度随热轧温度变化　的情况如图４所示。随轧制温度的上升．铝层的密度和显微硬　（功髓材料）２００２，３３（２）　维普资讯 http://www.cqvip.com

４结论　多层喷射沉积技术制各铝／钢双金属板过程中钢基体的预　热温度和金属熔体的温度有密切关系，当预热温度与熔体温度　升高时．有利于铝与钢之间的结合，但预热温度超过５５０℃，基　体温度超过９５０＂Ｃ后　抗积层的组甥恶化　热轧对铝／钢之间的　结合有强化作用，井使铝沉积层的组织细化，强度提高，而且对　界面孔脒有压合作用。　参考文献　［１］ＳｉｎｇｅｒＡ　ＲＥ＿Ｊ］．Ｐｃ￣ｕｄｅｒＭｅｔａ１．１９８２．４（２５）　１９５　Ｆｉｇ　７　ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　［２］Ｓｉｎｇｅｒ　Ａ　Ｒ　Ｅ，　ａ１．＿Ｊ］．Ｍｅｔ　Ｔｅｃｈ，１９８３・１０（２）：６１　［３］　ｂ０ｋ　ｓ　ｒＪ］．ｂｔ　Ｊ　Ｒａｐｉｄ￣ｌＪｄｉ　Ｆｉ￣ｄｏｎ，１９９３，７　２８３．　２９｜３３７．　［４］Ａｎｎａｖｒａｐｕ　Ｓ，Ｄｏｈｅ￣ｙ　ｎ＿Ｊ］．ｆａｔ　Ｊ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，１９９３，　Ｉｓ］脒振华，黄培云．等．［Ｐ］．中国专利ＣＮ９５￣０８６２Ｘ，１９９５．　［６］宁洪霓．硕士学位论文［ｃ］．长沙：中南工业大学．１９９９．　［７］曾华粱，吕忡达．陈出版社，１９８９．　武．等．电镀工艺手册［Ｍ］北京；机械工业　［８］蒋宏，酥振华．［刀中南矿冶学院学报，１９９１・８，９５　１０８．　作者简介：　宁洪龙（１９７１一），男，湖南株洲人，在读博士，１９９９年于中南　工业大学获工学硕士学位，现在清华大学材料系，师承马莒生教　授，从事异种材料的互连技术研究。　Ｆｉｇ　８　ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｌｔｅｒ　４５０℃ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐ｜ａｎｔ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ　ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｂｉｍｅｔａｌ　ＮＩＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｌｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｙｉ－ｐｉｎｇ。，ＨＵＡＮＧ　Ｆｕ　ｘｉａｎｇ　，　ＭＡ　Ｊｕ－ｓｈｅｎｇ　．ＧＥＮＧ　Ｚｈｉ—ｔｉｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｚｈｅｎ－ｈｕａ　（Ｌｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａ［ｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｔＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８４・Ｃｈｉｎａ；　（２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，ＮａＮｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．ＮａＮｉｎｇ　２１００９３，Ｃｈｉａ；ｎ　３　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｈｕ　ｎａｎ　Ｕａｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｌ￣ｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｂｌａｙｅｒ　ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｂｉｍｅｔａｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｉｎｆ［ｕｅｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ—　ｆａｃｅ　ｏｌ　ａｔｕｍｉｈｕｍ／ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ　ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｍａｎｙ　ｍｅｒｉｔｓ，ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｉｅ：ｓｉｍｐｌｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，　ｈｉｇｈ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｗａｒｍｉｇ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｕｐ，ａｎｄ　ｈｏｔｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｍｕＲｉ－ｌａｙｅｒ　ｓｐｒａｙ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｈｉｍｅｔａｌ；ｔｎｔｅｒｒａｃｅ　（上接第１６１页）　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆａｅｉａｌ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｉａｓ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ　ｆｉｌｍｓ　ＬＩ　Ｍｉｎｇ－ｈｕａ　．ＹＵ　Ｇｕａｎｇ—ｈｕａ　＋ＺＨＵ　Ｆｅｎｇ—ｗｕ’，ＪＩＡＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｗｅｉｚ，ＬＡＩ　Ｗｕ—ｙａｎ２　（Ｌ＿Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｇ　ｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ，Ｂｅｉｊｉｇ　１０００８３・Ｃｈｉｎｎａ；　２　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｒｉｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｌ￣ｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ　ｂｉｌａｙｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂｕｆｆｅｒ　ｌａｙｅｒｓ（Ｔａ　ｏｒ　Ｃｕ）ａｎｄ　Ｔａ　ｃｏｖｅｒ　ｌａｙｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　１１１ａｇｎｅｔｒｏｎ　ｓｐｕｔｔｅ—　ｒｉｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｎｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｉａｓ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ　ｆｉｌｍｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｔａ　ｂｕｆｆｅｒ　ｗａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｃｕ　ｂｕｆｆｅｒ．ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｅｏｅｒｃｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｆｏｒｍｅｒ　ｗａｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｌａｔｅｒ．Ｗｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｂｙ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｒｅｘ－　ｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　Ｔｈｅ　Ｔａ　ｂｕｆｆｅｒ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇｌｙ（１ｌ　Ｌ）ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅ—　ｓｕｉｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｉａｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ；ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｂｔａｓ　ｆｉｅｌｄ；ｔｅｘｔｕｒｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ｒｏｌｕｌｇｈｎ髑　１６８　《功能材料￣２００２，３３（２）