华中科技大学樊自田、蒋文明教授团队——引入超声场强化消失模铸造Al/Mg双金属材料界面 | MDPI Materials

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作者介绍

通讯作者

蒋文明 教授

华中科技大学

华中科技大学教授，博士生导师，2021 年全国铸造行业最美科技工作者，江苏省科技创新 (双创) 人才。担任中国材料研究学会镁合金分会理事、中国机械工程学会铸造分会理事、消失模铸造委员会常务副秘书长等。主持国家自然科学基金 3 项、GF 基础科研计划项目、国家重点研发计划项目子课题、国家基础加强重点研究计划项目子课题等科研项目 20 余项。发表学术论文 150 余篇，其中 SCI 论文 100 余篇，ESI 热点/高被引论文 5 篇。申请/授权发明专利 30 项，参编著作/教材 5 部。担任 Materials、Metals、China Foundry、《铸造》《中国铸造装备与技术》等期刊编委，Journal of Magnesium and Alloys 等期刊青年编委。

第一作者

李庆晴 博士研究生

华中科技大学

华中科技大学材料科学与工程专业博士研究生。主要研究方向为 Al/Mg 双金属复合材料制备新技术，目前在 JMST 等期刊上发表 SCI 论文 7 篇，其中 4 篇为一作。

文章导读

通过把不同性能的金属材料连接复合为一体，形成新型金属复合材料，能够取长补短、实现材料性能互补，从而可以获得优越的综合性能，以能更好地满足工程应用需求。金属结构材料中，镁合金和铝合金均是重要的工程用轻金属材料。将铝合金与镁合金进行复合，制备铝/镁双金属材料，能够在确保轻量化的基础上，提升材料的综合力学性能。然而，Al/Mg 双金属材料界面层组织不均匀，存在大量粗大且硬脆的 Al-Mg 金属间化合物相和氧化夹杂等，削弱了双金属结合性能。近期，来自华中科技大学的樊自田、蒋文明教授团队在 Materials 期刊发表了文章 (Development of Al/Mg Bimetal Processed by Ultrasonic Vibration-Assisted Compound Casting: Effects of Ultrasonic Vibration Treatment Duration Time)，介绍了一种超声场复合消失模铸造 Al/Mg 双金属材料的新方法，其消除了界面氧化膜并提升了界面组织均匀性，实现了 Al/Mg 双金属界面结合强度的大幅提升。

主要内容

本研究采用自行搭建的超声场复合消失模铸造 Al/Mg 双金属装置 (图 1)，在液态 AZ91D 熔体浇注完，温度降低至 570 ℃ (Al-Si 共晶温度附近) 时施加功率 75 W 的超声场，分别作用 0 s (不施加超声)、1 s、5 s 和 9 s。

图 1. 超声场复合消失模铸造 Al/Mg 双金属装置示意图

A356/AZ91D 双金属界面形貌与元素分布如图 2 所示；随着超声作用时间由 1 s 增加至 9 s，界面层厚度出现一定程度增大，但 Si 元素由 Al-Mg 金属间化合物区 (IMCs area) 逐渐扩散至共晶区 (E area)，Si 元素分布均匀性显著提高。

图 2. 超声作用不同时间 A356/AZ91D 双金属材料界面形貌与元素分布：(a) 0 s (不施加超声)、(b) 1 s、(c) 5 s、(d) 9 s

图 3 显示了超声作用不同时间 A356/AZ91D 双金属界面层不同区域的微观组织；可以发现超声场作用仅 1 s 时，Mg₂Si 相即由不施加超声的团聚状态变得分散，其尺寸也细化至小于 5 μm。随着超声作用时间从 1 s 增加至 9 s，Mg₂Si 相在整个界面层的分布逐渐变得均匀，Mg₂Si 相的尺寸也未出现增大。

图 3. 超声作用不同时间 A356/AZ91D 双金属材料界面层不同区域微观组织：(a~c) 对应图 2 中 A~C 区域；(d~f) 对应图 2 中 D~F 区域；(g~i) 对应图 2 中 G~I 区域；(j~l) 对应图 2 中 J~L 区域

通过图 4 可以发现，超声场的施加能够改善 A356/AZ91D 双金属材料的剪切强度。在超声作用为 5 s 时，双金属材料界面剪切强度由 33.3 MPa 提升至 56.7 MPa，提升幅度达 70.3%；而超声作用时间为 1 s 时，可能是由于界面层氧化膜未得到完全消除，性能提升有限；超声作用时间为 9 s 时，由于双金属界面层厚度增加过多，导致双金属剪切强度较超声作用 5 s 时有所降低，但仍显著高于不施加超声处理的双金属试样。

图 4. 超声作用不同时间 A356/AZ91D 双金属材料 (a) 剪切应力-位移曲线；(b) 剪切强度

A356/AZ91D 双金属材料剪切变形时，断裂发生在界面层 (图 5)，裂纹由 Al-Mg 金属间化合物区域开始扩展。不施加超声时，裂纹扩展至 Al-Mg 金属间化合物区和共晶区交接处双金属发生断裂，此处为双金属界面氧化膜存在的位置。而超声作用 5 s 后，界面氧化膜得到消除，裂纹扩展至共晶区。此外，细化的 Mg₂Si 颗粒能够使裂纹发生偏转和分叉，起到了抵抗变形的作用。因此，氧化膜的消除和 Mg₂Si 颗粒的细化提升了双金属界面剪切强度。

图 5. (a, c) 不施加超声场，(b, d) 超声作用 5 s 时 A356/AZ91D 双金属材料剪切变形裂纹扩展情况

研究总结

本文提出了一种超声场复合消失模铸造 Al/Mg 双金属材料的方法，研究了超声作用时间对 A356/AZ91D 双金属材料界面微观组织和力学性能的影响。在消失模铸造 A356/AZ91D 双金属材料过程中施加超声场，利用超声产生的空化效应和声流效应能够实现界面层氧化膜的破碎和 Mg₂Si 相的细化、均匀分散，使 Al/Mg 双金属界面结合强度由 33.3 MPa 增加至 56.7 MPa，提升幅度达 70.3%。该项研究为高性能 Al/Mg 双金属材料的开发提供了一种制备新工艺和新思路，以扩宽铝、镁及其合金在各工业领域的应用范围，也为其他双金属材料的研发提供有益借鉴。

原文出自 Materials 期刊

Li, Q.; Guan, F.; Xu, Y.; Zhang, Z.; Fan, Z.; Jiang, W. Development of Al/Mg Bimetal Processed by Ultrasonic Vibration-Assisted Compound Casting: Effects of Ultrasonic Vibration Treatment Duration Time. Materials 2023, 16, 5009.

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阅读英文原文

本文发表于特刊“Development of Advanced Aluminum and Magnesium Alloys: Microstructure, Mechanical Properties and Processing”，本文通讯作者蒋文明教授为该特刊客座编辑。

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   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。

2022 Impact Factor	3.4
2022 CiteScore	5.2
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

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