稀土元素Sc对Al/钢双金属复合材料界面微观结构及力学性能的影响（Doi:10.1016/j.jmrt.2023.03.013）
在当今能源危机与环保问题日益突出的背景下，新型轻量化、高性能材料的研发备受关注。传统单一组分材料已难以满足现代工业生产的多样化需求，双金属复合材料应运而生，其中Al/钢双金属复合材料因其结合了Al合金的优良热导性、耐蚀性、低密度与钢的高强度、良好耐磨性、低成本等优势，在工程应用中展现出巨大潜力，还契合了轻量化设计要求。然而，Al和钢的热物理性能差异大，导致Al对钢的润湿性低，且钢易氧化，使得二者间难以形成良好的冶金界面。为改善Al溶液的润湿性，常通过热浸镀在钢基体表面生成中厚涂层，既能增强润湿性，促进Al与钢的物理化学反应，又能防止钢表面氧化膜的形成。Al/钢双金属复合材料的界面主要由Al₅Fe₂和Al₁₃Fe₄等金属间化合物构成，这些化合物层的厚度对增加界面结合强度至关重要，但过厚的脆性金属间化合物层会显著影响双金属复合材料的结合性能。稀土元素在合金细化和强化方面应用广泛，能改善合金的晶粒细化和耐蚀性，近期在热浸镀中也备受关注，其在Al/钢界面金属间化合物层的厚度调控上表现出色。Sc作为一种稀土元素，在Al合金中用作微合金化添加剂，具有显著的弥散强化效果，能有效细化和改性Al合金的晶粒。尽管已有研究关注稀土元素对Al合金性能的影响，但关于稀土Sc对Al/钢双金属复合材料界面微观结构及力学性能的影响研究还相对较少。
本文通过扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射分析（EBSD）和电子探针微分析（EPMA）等手段，深入研究了稀土Sc对Al/钢双金属复合材料界面微观结构及力学性能的影响。研究发现，当添加0.3%的Sc时，Al-7 wt.% Si合金**晶Si的形态从针状转变为纤维状和颗粒状，这种形态变化有助于减少共晶Si对基体的割裂作用，从而提升合金的力学性能。在Al/钢双金属复合材料的反应层中，Sc的添加并未改变金属间化合物的类型，该反应层仍由Al₅Fe₂、t₁-Al₂Fe₃Si₃、Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂等相组成。随着Sc含量的增加，反应层的厚度呈现出先减小后增大的趋势。当Sc含量为0.3%时，反应层厚度达到最小值9.2 mm，且靠近钢侧的金属间化合物层变得较为平缓。此外，Sc主要富集在靠近Al侧的三元化合物层（t₆）的前端。添加0.3%的Sc后，界面反应层中各相的晶粒尺寸减小，且Al₁₃Fe₄、t₅和t₆相的极密度增加，而Al₅Fe₂相的极密度降低。在力学性能方面，添加0.3%的Sc使反应层的平均纳米硬度降低了5%，而结合强度却提高了48%。
实验材料与方法
实验所用的钢基体为45钢管，尺寸为外径36 mm、壁厚3 mm、高115 mm；Al基体为Al-7 wt.% Si合金。首先，将45钢管经脱脂、除锈处理后，在90℃的5% K₂ZrF₆溶液中浸泡10分钟；随后，将钢管浸入780℃的Al-7 wt.% Si熔体中，分别在不同Sc含量（0、0.1、0.2、0.3、0.4 wt%）下保温5分钟，迅速放入预热至400℃的模具中；最后，将与热浸镀合金成分相同的Al-7 wt.% Si合金熔体倒入模具，制备出不同Sc含量的Al-7 wt.% Si/45钢双金属材料。实验中，利用SEM观察Al合金基体和Al/钢双金属试样的界面微观结构，借助EDS分析界面扩散层的化学成分，采用EPMA分析Al/钢双金属界面反应层的元素分布，并利用Image Pro软件计算金属间化合物层的厚度。通过C-Nano电子背散射衍射（EBSD）探测器与JEOL JSM-IT 800 SHL场发射SEM装置联用，对双金属样品的界面进行相分析。使用WDW-300微机控制电子万能试验机测量试样的剪切强度，通过Nano Indenter G200系统以连续刚度测量模式测试Al/钢双金属铸造界面的纳米硬度。
图1：双金属铸造示意图，展示了Al/钢双金属复合材料的制备过程，与实验方法中描述的制备步骤相关。（左） 图2：剪切试样尺寸及剪切图，说明了剪切测试的样品尺寸和加载方式，与实验方法中提到的剪切强度测试相关。（右）
研究结果与讨论
1.Sc对Al-Si合金**晶Si的影响
在常规铸造微观结构中，Al-Si合金的共晶Si通常以针状形态分布在枝晶间，这种形态会割裂基体，显著影响合金的力学性能。实验结果显示，随着Sc含量的增加，共晶Si的形态发生了显著变化。当添加0.3%的Sc时，共晶Si的形态从粗大的针状转变为细小的纤维状和颗粒状，这种转变有效减轻了共晶Si对基体的割裂作用，从而显著提升了Al-Si合金的力学性能。
图3：不同Sc含量下共晶Si的形貌，对比了添加Sc前后共晶Si形态的变化，与文中描述的共晶Si形态变化相关。
2. Sc对Al/钢双金属复合材料界面微观结构的影响
通过SEM观察不同Sc含量下Al/钢双金属复合材料的界面微观结构，发现反应层呈现出均匀且致密的状态。随着Sc含量的增加，反应层的厚度呈现出先减小后增大的趋势。当Sc含量为0.3%时，反应层厚度达到最小值9.2 mm，且靠近钢侧的金属间化合物层变得较为平缓。进一步通过EDS和EPMA分析反应层的元素分布和相组成，结果表明，Sc的添加并未改变反应层的相类型，反应层仍由Al₅Fe₂、t₁-Al₂Fe₃Si₃、Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂等相组成。然而，Sc的添加对反应层的厚度分布产生了显著影响。反应层可分为靠近钢侧的第一层和靠近Al侧的第二层。当Sc含量为0.3%时，第一层的厚度减小，而第二层的厚度增加。此外，Sc主要富集在靠近Al侧的三元化合物层（t₆）的前端，这种富集可能增加了成分过冷度，从而减小了界面反应层中各相的晶粒尺寸。EBSD分析结果进一步揭示了反应层中各相的晶粒取向和晶界分布。在未添加Sc和添加0.3% Sc的Al/钢双金属界面处，Al₅Fe₂晶粒大多以垂直于界面的柱状晶形式生长。添加Sc后，Al₅Fe₂相在[001]方向上的择优取向并未改变，但其极密度降低，而Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂相的极密度显著增加。这表明Sc的添加显著降低了Al₅Fe₂相在界面反应层中的厚度和极密度，同时促进了Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂相的生长。
图4：不同Sc含量下Al/钢双金属复合材料界面的微观结构，展示了界面反应层的形态变化，与文中描述的界面微观结构变化相关。 图5：双金属界面反应层区域的晶粒取向和晶界分布图以及各相的极图，揭示了Sc对晶粒取向和极密度的影响，与文中对晶粒取向和极密度变化的讨论相关。
3. Sc对界面力学性能的影响
纳米硬度测试结果显示，Al/钢双金属界面反应层的硬度高于Al和钢基体，其中Al₅Fe₂相的纳米硬度最高。随着Sc含量的增加，反应层的硬度分布变得更加均匀。当Sc含量从0增加到0.3%时，反应层的平均纳米硬度从20.72 GPa降低到19.69 GPa，这主要是由于Al₅Fe₂层厚度的减小所致。剪切强度测试结果表明，添加0.3%的Sc使Al/钢双金属的剪切强度提高了48%，而进一步增加Sc含量至0.4%则导致剪切强度降低。通过对不同Sc含量下Al/钢双金属样品断裂面形貌的SEM观察发现，未添加Sc的样品断裂面呈现出明显的解理台阶和撕裂棱，表现出脆性断裂特征，且EDS分析表明断裂结构主要为Al₅Fe₂相。随着Sc含量的增加，断裂面上的撕裂棱数量增多，表明材料的韧性有所提高。当Sc含量为0.3%时，界面处的Al₅Fe₂相层变得平缓且晶粒更细小，反应层的硬度更低且分布更均匀，反应层厚度减小，且Al-Si合金基体中的共晶Si经Sc改性后，这些因素共同作用，显著提升了Al/钢双金属复合材料的力学性能。然而，当Sc含量增加到0.4%时，Al₅Fe₂相在界面反应层中的厚度增加，导致剪切强度降低。
图6：不同Sc含量下Al/钢双金属样品断裂面形貌的SEM图像，展示了断裂面的微观特征，与文中对断裂面形貌的讨论相关。
结论
1.添加0.3%的Sc使Al-Si合金**晶Si的形态从粗大的针状转变为细小的纤维状和颗粒状，降低了其对基体的割裂作用。在Al/钢双金属复合材料的界面反应层中，靠近钢侧的第一层（Al₅Fe₂）厚度减小，而靠近Al侧的第二层（Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂）厚度增加。Sc主要富集在靠近Al侧的三元化合物层（t₆-Al₉Fe₂Si₂）的前端。
2.添加0.3%的Sc减小了界面反应层中各相的晶粒尺寸，增加了Al₁₃Fe₄、t₅-Al₇Fe₂Si和t₆-Al₉Fe₂Si₂相的极密度。同时，反应层中Al₅Fe₂和t₁相的百分含量降低，而Al₁₃Fe₄、t₅和t₆相的百分含量增加。
3.Al₅Fe₂相在Al/钢双金属界面反应层中的纳米硬度最高。随着Sc含量从0增加到0.3%，反应层的平均纳米硬度从20.72 GPa降低到19.69 GPa，剪切强度提高了48%。
本文的研究成果为Al/钢双金属复合材料的性能优化提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动其在航空航天、汽车制造等领域的广泛应用，为实现轻量化设计和高性能应用提供有力支持。
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发表于 2025-5-16 09:06:38
