增材制造鈦基金字塔點陣結構對鎂/鈦雙金屬復合材料界面強化的優化
時間：2024-06-04 09:14 來源：中國有色金屬學報 作者：admin 閱讀：次
鎂合金具有輕質高強、高阻尼性和電磁屏蔽性能好等優點，但高溫性能不足、耐蝕性差及絕對強度低限制了應用范圍。與之相比，鈦合金具有更高的絕對強度、優異的耐腐蝕性能和高溫性能等優點，實現鎂/鈦合金的可靠復合能夠在最大程度上保留各自性能特點的同時克服單一材料性能上的不足。然而，鎂合金和鈦合金的連接受制于Mg和Ti的弱反應、低互溶及較大的物理化學性能差異。液-固復合鑄造能夠低成本地生產具有復雜輪廓和內部結構的復合鑄件，目前，通過復合鑄造制備鎂/鈦雙金屬的界面形態僅以簡單的近平面連接為主，界面結合強度還有待進一步提高。固相金屬的表面處理是界面強化的常用手段，本文在界面處采用選區激光熔融制備的鈦基金字塔型點陣結構，實現對鎂/鈦雙金屬界面結合的強化。結合有限元分析和復合鑄造實驗，在桿徑范圍為2
mm內優化了點陣結構參數，重點分析了點陣結構的長徑比對鎂/鈦雙金屬界面結合強度的影響規律，為鎂/鈦雙金屬的復合鑄造界面強化新方法建立理論基礎。
本研究在界面處采用增材制造點陣結構強化了鎂/鈦雙金屬液-固復合鑄造的界面結合，優化了點陣結構參數，揭示了點陣結構參數對鎂/鈦雙金屬界面結合的影響次序，闡明了最顯著因素-長徑比對界面結合強度的影響規律。
圖1（a）為不同長徑比下，Mg/Ti雙金屬的結合強度，可見隨著長徑比的增加，雙金屬結合強度先增加后減小。通過對單胞模型中增強體Ti點陣的相對體積分數（圖片，vol%）的計算，雙金屬結合強度隨著圖片（vol%）的增加，先增加后減小，與復合材料混合定律計算結果得到的規律不一致。圖1（b）為不同長徑比下，Mg/Ti雙金屬的失效形式，可見隨著長徑比的增加，雙金屬失效形式從Mg破壞轉變為Ti桿斷裂。Mg的破壞形式主要為被Ti“割裂”成兩部分，Ti桿的斷裂形式主要為下節點根部處的剪切破壞。結合失效形式可知，圖1（a）中失效強度轉折的原因在于失效形式的變化。
以長徑比為3的點陣結構為例，分析Mg/Ti雙金屬的拉伸變形過程。根據Ti和Mg的屬性差異，可以將雙金屬的變形過程大致分為4個階段，如圖2所示。在變形伊始階段，在極小的拉伸位移內(u1=0.027 mm)，Ti和Mg首先都發生彈性變形，此時拉伸響應曲線呈線性增加，對應的應力云圖如圖2（b）u1所示，可見界面未分離，桿的根部出現了應力集中現象。由于Mg的彈性模量和屈服強度遠小于Ti，隨著拉伸過程的進行，當位移大于u1后，Ti和Mg之間的相互作用導致接觸壓力會逐漸增大，桿下方的Mg基體的Mises應力在88~120 MPa之間，超過Mg屈服應力(89 MPa)的部分率先發生塑性變形，此時便是混合變形的第Ⅱ階段。隨著拉伸的進一步進行，當位移大于0.113 mm后，如圖2（b）u2所示，Ti桿根部，與Mg接觸的桿上表面和上節點的底部，Mises應力約為970~1100 MPa之間，局部超過Ti的屈服應力(940 MPa)，但始終小于其強度極限，即進入由應變強化主導的第Ⅲ變形階段。隨著拉伸變形過程的繼續進行，與桿接觸的大部分Mg發生塑性變形，在拉伸位移u3=0.301 mm時承載能力達到極限，響應曲線出現峰值，應力云圖如圖2（b）u3所示，此時界面已完全分離。Mg開始軟化。繼續拉伸，便進入漸進損傷階段，響應曲線開始下降，當位移為0.347 mm時，如圖2（b）u4所示，Mg被鈦完全“割裂”成兩部分。
根據雙金屬的變形過程可建立簡化力學分析模型。圖3 為Mg/Ti雙金屬拉伸時的簡化力學分析模型，拉伸過程中，Ti點陣結構底部固定，Mg垂直向上移動，根據點陣結構的幾何特點以及圖2中變形過程的應力分布云圖可知，桿單元與下節點連接處的截面為危險截面。點陣結構具有空間對稱性，以單根桿為研究對象，如圖3（b）所示，可建立危險截面的力學方程進行定性分析。在拉伸變形過程中由于雙金屬在界面處的應力傳遞較為復雜，為簡化桿的受力分析，將雙金屬相互作用產生的所有力轉化為一個合力Fz，假設Fz作用于上節點的球心O點使得桿發生向上的位移u，由于下節點與基板為剛性連接，故可把桿當作懸臂梁，其主要發生由剪力FS、彎矩M導致的彎曲變形和軸力FN導致的拉伸變形，根據圓桿的變形公式可得到危險截面的應力公式，如式（1）所示。當傾斜角不變時，長徑比增加意味著桿徑減小，由公式（1）可知截面應力與桿徑成反比，因此，當長徑比增加（桿徑減小）至一定值時，桿必然斷裂，導致點陣結構的承載能力降低，進而使得雙金屬的結合強度降低。
式中，δmax為危險截面應力，FZ為簡化的合力；ds為桿徑；ω為桿單元傾斜角度；x為危險截面距離上節點球心的距離。
使用選區激光熔融技術（SLM）制備長徑比為2、3、5的TC4點陣結構，如圖4（a）-（c）所示，然后使用超聲振動輔助鑄造與AZ91D進行復合，澆注溫度為730 ℃。圖4（d）-（f）為不同長徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖，并未發現明顯的孔洞，可見采用超聲輔助鑄造的方法使得AZ91D與TC4嵌合良好。
圖5為不同長徑比下雙金屬的拉伸實驗結果，圖5（a）為載荷-位移曲線，圖5（b）為雙金屬的失效強度對比，可見實驗結果得到的失效強度變化趨勢與模擬結果得到的規律一致。當長徑比為3時，實驗得到的雙金屬失效強度為77.3 MPa，高于模擬得到的強度56 MPa。歸因于模擬時，點陣結構表面為光滑表面，但實際上SLM制備的點陣結構表面由于未熔融顆粒的沉積，使得表面具有一定的粗糙度，增大了界面摩擦阻力，這對于界面結合強度的提高是有益的。
研究結論
（1）使用SLM制備點陣結構強化了Mg/Ti雙金屬的液-固復合鑄造界面結合，最優點陣結構參數為桿徑（ds）1 mm，長徑比（l/ds）3，節點比（dn/ds）為2.5，最優點陣結構參數下Mg/Ti雙金屬的結合強度為77.3 MPa。
（2）點陣結構的長徑比（l/ds）是影響界面結合的最顯著因素，實驗結果和有限元分析結果都表明，隨著長徑比（l/ds）的增加，雙金屬的結合強度先增加，后減小，當長徑比（l/ds）為3時，界面結合強度達到最大。
（3）Mg/Ti雙金屬的失效形式主要為界面分離，Mg破壞和Ti桿斷裂，隨著長徑比的增加，桿與節點處連接的應力集中會使得失效形式從Mg基體破壞轉變為Ti桿斷裂。
團隊介紹
趙建華，教授、博士生導師。主要從事高性能鋁、鎂合金及其成形技術研究，先后承擔國家自然科學基金面上項目、工信部智能制造新模式項目、寧夏自治區重點研發計劃（重大項目）、重慶市科技攻關重大項目等科研項目50余項。在國內外專業期刊及會議公開發表學術論文近200篇，授權發明專利10余項。獲得國家教育部及重慶市科技進步一等獎，中國汽車工業科技進步二等獎等獎項。
辜誠，副研究員，從事輕合金凝固過程集成計算材料工程相關領域，在多元合金凝固過程的多尺度耦合模擬、凝固微觀組織的定量表征等方面進行了深入的研究。獲批國家自然科學基金青年基金項目、中國博士后基金面上項目、重慶市工業設計強基計劃等科研項目，發表高水平SCI期刊論文50余篇，授權發明專利2項。
吳遠兵，博士研究生。研究方向為金屬材料的表面及界面，以第一作者在《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《Metals and Materials International》、《復合材料學報》等國內外期刊發表論文5篇。
本研究在界面處采用增材制造點陣結構強化了鎂/鈦雙金屬液-固復合鑄造的界面結合，優化了點陣結構參數，揭示了點陣結構參數對鎂/鈦雙金屬界面結合的影響次序，闡明了最顯著因素-長徑比對界面結合強度的影響規律。
圖1（a）為不同長徑比下，Mg/Ti雙金屬的結合強度，可見隨著長徑比的增加，雙金屬結合強度先增加后減小。通過對單胞模型中增強體Ti點陣的相對體積分數（圖片，vol%）的計算，雙金屬結合強度隨著圖片（vol%）的增加，先增加后減小，與復合材料混合定律計算結果得到的規律不一致。圖1（b）為不同長徑比下，Mg/Ti雙金屬的失效形式，可見隨著長徑比的增加，雙金屬失效形式從Mg破壞轉變為Ti桿斷裂。Mg的破壞形式主要為被Ti“割裂”成兩部分，Ti桿的斷裂形式主要為下節點根部處的剪切破壞。結合失效形式可知，圖1（a）中失效強度轉折的原因在于失效形式的變化。
圖1 (a) 長徑比l/ds對雙金屬失效強度的影響和 (b) 長徑比l/ds對雙金屬失效形式的影響
以長徑比為3的點陣結構為例，分析Mg/Ti雙金屬的拉伸變形過程。根據Ti和Mg的屬性差異，可以將雙金屬的變形過程大致分為4個階段，如圖2所示。在變形伊始階段，在極小的拉伸位移內(u1=0.027 mm)，Ti和Mg首先都發生彈性變形，此時拉伸響應曲線呈線性增加，對應的應力云圖如圖2（b）u1所示，可見界面未分離，桿的根部出現了應力集中現象。由于Mg的彈性模量和屈服強度遠小于Ti，隨著拉伸過程的進行，當位移大于u1后，Ti和Mg之間的相互作用導致接觸壓力會逐漸增大，桿下方的Mg基體的Mises應力在88~120 MPa之間，超過Mg屈服應力(89 MPa)的部分率先發生塑性變形，此時便是混合變形的第Ⅱ階段。隨著拉伸的進一步進行，當位移大于0.113 mm后，如圖2（b）u2所示，Ti桿根部，與Mg接觸的桿上表面和上節點的底部，Mises應力約為970~1100 MPa之間，局部超過Ti的屈服應力(940 MPa)，但始終小于其強度極限，即進入由應變強化主導的第Ⅲ變形階段。隨著拉伸變形過程的繼續進行，與桿接觸的大部分Mg發生塑性變形，在拉伸位移u3=0.301 mm時承載能力達到極限，響應曲線出現峰值，應力云圖如圖2（b）u3所示，此時界面已完全分離。Mg開始軟化。繼續拉伸，便進入漸進損傷階段，響應曲線開始下降，當位移為0.347 mm時，如圖2（b）u4所示，Mg被鈦完全“割裂”成兩部分。
圖2 （a）失效過程的四個階段在拉伸曲線上的反應；（b）四個變形階段對應的應力云圖
根據雙金屬的變形過程可建立簡化力學分析模型。圖3 為Mg/Ti雙金屬拉伸時的簡化力學分析模型，拉伸過程中，Ti點陣結構底部固定，Mg垂直向上移動，根據點陣結構的幾何特點以及圖2中變形過程的應力分布云圖可知，桿單元與下節點連接處的截面為危險截面。點陣結構具有空間對稱性，以單根桿為研究對象，如圖3（b）所示，可建立危險截面的力學方程進行定性分析。在拉伸變形過程中由于雙金屬在界面處的應力傳遞較為復雜，為簡化桿的受力分析，將雙金屬相互作用產生的所有力轉化為一個合力Fz，假設Fz作用于上節點的球心O點使得桿發生向上的位移u，由于下節點與基板為剛性連接，故可把桿當作懸臂梁，其主要發生由剪力FS、彎矩M導致的彎曲變形和軸力FN導致的拉伸變形，根據圓桿的變形公式可得到危險截面的應力公式，如式（1）所示。當傾斜角不變時，長徑比增加意味著桿徑減小，由公式（1）可知截面應力與桿徑成反比，因此，當長徑比增加（桿徑減小）至一定值時，桿必然斷裂，導致點陣結構的承載能力降低，進而使得雙金屬的結合強度降低。
圖3 Mg/Ti雙金屬單胞模型與桿受力簡化分析示意圖：（a）Mg/Ti雙金屬三維單胞模型；（b）ABCD截面的二維示意圖；（c）單根桿的受力分析示意圖
使用選區激光熔融技術（SLM）制備長徑比為2、3、5的TC4點陣結構，如圖4（a）-（c）所示，然后使用超聲振動輔助鑄造與AZ91D進行復合，澆注溫度為730 ℃。圖4（d）-（f）為不同長徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖，并未發現明顯的孔洞，可見采用超聲輔助鑄造的方法使得AZ91D與TC4嵌合良好。
圖4 （a）-（c）SLM制備的不同長徑比的點陣結構；（d）-（f）不同長徑比下Mg/Ti雙金屬的截面示意圖；
圖5為不同長徑比下雙金屬的拉伸實驗結果，圖5（a）為載荷-位移曲線，圖5（b）為雙金屬的失效強度對比，可見實驗結果得到的失效強度變化趨勢與模擬結果得到的規律一致。當長徑比為3時，實驗得到的雙金屬失效強度為77.3 MPa，高于模擬得到的強度56 MPa。歸因于模擬時，點陣結構表面為光滑表面，但實際上SLM制備的點陣結構表面由于未熔融顆粒的沉積，使得表面具有一定的粗糙度，增大了界面摩擦阻力，這對于界面結合強度的提高是有益的。
圖5 雙金屬拉伸實驗結果：（a）載荷-位移曲線；（b）失效強度對比
研究結論
（1）使用SLM制備點陣結構強化了Mg/Ti雙金屬的液-固復合鑄造界面結合，最優點陣結構參數為桿徑（ds）1 mm，長徑比（l/ds）3，節點比（dn/ds）為2.5，最優點陣結構參數下Mg/Ti雙金屬的結合強度為77.3 MPa。
（2）點陣結構的長徑比（l/ds）是影響界面結合的最顯著因素，實驗結果和有限元分析結果都表明，隨著長徑比（l/ds）的增加，雙金屬的結合強度先增加，后減小，當長徑比（l/ds）為3時，界面結合強度達到最大。
（3）Mg/Ti雙金屬的失效形式主要為界面分離，Mg破壞和Ti桿斷裂，隨著長徑比的增加，桿與節點處連接的應力集中會使得失效形式從Mg基體破壞轉變為Ti桿斷裂。
團隊介紹
趙建華，教授、博士生導師。主要從事高性能鋁、鎂合金及其成形技術研究，先后承擔國家自然科學基金面上項目、工信部智能制造新模式項目、寧夏自治區重點研發計劃（重大項目）、重慶市科技攻關重大項目等科研項目50余項。在國內外專業期刊及會議公開發表學術論文近200篇，授權發明專利10余項。獲得國家教育部及重慶市科技進步一等獎，中國汽車工業科技進步二等獎等獎項。
辜誠，副研究員，從事輕合金凝固過程集成計算材料工程相關領域，在多元合金凝固過程的多尺度耦合模擬、凝固微觀組織的定量表征等方面進行了深入的研究。獲批國家自然科學基金青年基金項目、中國博士后基金面上項目、重慶市工業設計強基計劃等科研項目，發表高水平SCI期刊論文50余篇，授權發明專利2項。
吳遠兵，博士研究生。研究方向為金屬材料的表面及界面，以第一作者在《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《Metals and Materials International》、《復合材料學報》等國內外期刊發表論文5篇。
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