铜网中间层对Mg/Al复合材料界面结构及力学性能的影响：挤压后热处理温度的作用

《Materials Today Communications》：Effects of Cu Mesh Interlayer on Interface Structure and Mechanical Properties of Mg/Al Composites: Role of Post-Extrusion Heat Treatment Temperature

本研究通过200°C、300°C和400°C热处理探究Cu网层对Mg/Al复合材料界面结构、扩散行为及力学性能的影响。结果表明Cu网有效抑制了Al3Mg2和Al12Mg17等脆性金属间化合物形成，但400°C处理导致IMC层增厚使剪切强度下降。Cu网通过应力吸收机制提升了材料延展性，为轻量化工程材料界面设计提供新策略。

　　

吴文宇|易志豪|王艳|谢旭峰|袁婷|胡洪军

重庆理工大学材料科学与工程学院，中国重庆，400050

摘要

为了研究Cu网状中间层对Mg/Al复合材料界面优化机制，本研究系统探讨了挤压后热处理温度（200°C、300°C和400°C）对Mg/Al复合板材界面结构、扩散行为和力学性能的影响。采用先进的微观结构和力学表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和剪切测试，分析了Cu网对脆性金属间化合物（IMCs）的抑制作用。结果表明，Cu中间层有效抑制了Mg-Al IMCs（Al?Mg?和Al??Mg??）的形成和生长。热处理促进了Al层的静态再结晶，晶粒尺寸从200°C时的4.66 μm增大到400°C时的32.92 μm，同时晶粒织构从变形织构（S {123}<634>转变为再结晶的立方织构（Cube {001}<100）。复合板材的剪切强度在200°C时达到30.28 MPa的峰值，但在更高温度下由于IMC层过厚而显著下降。Cu网通过吸收界面应力并延缓裂纹扩展，提高了材料的延展性。本研究为Mg/Al复合材料的界面工程策略提供了关键见解，为其在轻量化工程中的应用提供了指导。

引言

随着全球工业化的加速和碳中和目标的提出，轻质、高强度和多功能复合材料的开发已成为材料科学的核心研究方向[1]、[2]、[3]。复合材料以其高比强度、可设计性和优异的耐腐蚀性逐渐取代了钢铁和铝合金等传统材料，成为轻量化技术的重要突破[4]。镁合金作为典型的轻质金属基结构材料，由于其低密度、高比强度、优异的阻尼性能和电磁屏蔽性能，在航空航天和交通运输领域具有显著的减重潜力[5]、[6]、[7]、[8]。然而，其较低的拉伸强度、较差的延展性以及不足的耐腐蚀性和高温性能严重限制了镁合金的进一步工业应用[9]。铝合金的密度约为2.7 g/cm3，制备工艺成熟且耐腐蚀性优异，但其轻量化潜力有限[10]、[11]、[12]、[13]。Mg/Al双金属复合材料通过利用镁的极轻特性和铝的优异耐腐蚀性，成为下一代轻质材料的关键发展方向[14]、[15]、[16]。因此，采取有效措施减少或消除界面处的脆性金属间化合物（IMCs）并加强双金属界面对于制备高性能的Mg/Al双金属复合材料至关重要。

添加Zn[17]、[18]、[19]、[20]、Ti[21]、[22]、Ni[23]、[24]、[25]、[26]和Cu[27]等中间层是抑制金属间化合物（IMCs）形成的有效方法之一。例如，Gan等人[17]证明，在Al/Mg接头的摩擦搅拌钎焊过程中加入Zn中间层可以有效抑制脆性Mg-Al金属间化合物（IMCs）的形成。与无Zn接头相比，添加Zn中间层的接头剪切强度提高了约25%。Sun等人[27]通过挤压工艺成功制备了含有Cu中间层的Mg/Al层压复合材料。Cu层的加入显著抑制了Mg和Al之间的元素扩散。中间层的插入防止了Mg–Al合金的直接接触，抑制了Mg–Al金属间化合物的形成，改变了界面合金相类型，并增强了结合强度[29]、[30]。在这些中间层中，铜（Cu）具有明显优势：其高熔点（1083°C）确保了挤压和热处理过程中的热稳定性，避免了基于Zn的中间层可能出现的过早熔化问题[31]。此外，Cu的优异塑性使其能够作为“软层”吸收界面应力并延缓裂纹扩展。研究表明，与二维Cu箔中间层相比，三维铜网结构提供了机械互锁效应，增加了界面结合面积。同时，其波浪状的界面形态减轻了应力集中并延缓了裂纹扩展。此外，这种配置延长了Mg/Al原子的扩散路径，从而抑制了连续金属间化合物（IMC）层的形成[32]、[33]、[34]。

此外，热处理温度显著影响Mg/Al复合材料的界面结构和性能[35]、[36]、[37]、[38]。在不同热处理温度下，界面处的元素扩散、相变和应力分布都会发生变化。精确控制热处理温度可以优化界面微观结构，减少脆性相的形成，并提高复合材料的整体性能[39]、[40]。然而，现有研究主要集中在无中间层或单组分中间层的Mg/Al复合材料界面行为上。关于热处理温度对含有中间层的Mg/Al复合材料微观结构和力学性能影响的研究相对较少。因此，在本研究中，通过将三维铜（Cu）网作为Mg和Al之间的中间层，成功制备了具有独特界面结构的Mg/Al复合板材，并研究了不同热处理温度对这些复合板材微观结构和力学性能的影响。

材料与加工

本研究使用的材料包括AZ31镁合金和AA6063铝合金，以及Cu网（Cu含量>99.99%，100目，线径0.08 mm，厚度0.16 mm，孔径0.17 mm），其化学成分如表1所示。本研究示意图见图1(a)。首先制备了Mg/Al和Mg/Al-100Cu组件，并将其组装成坯料。这些坯料放置在挤压模具中，并通过电阻线圈进行加热，同时监测温度

Mg/Al-Cu复合材料的界面结合层

图2展示了不同退火温度下Mg/Al-Cu复合板材结合界面的微观结构和线分析结果。如图2(a-c)所示，所有样品在退火后均表现出良好的结合性能，具有致密无缺陷的结构和明显的结合层。随着温度的升高，结合层变厚，并在界面形成了明显的扩散层。根据现有研究[41]、[42]、[43]，这种扩散层

结论

本研究研究了Mg/Al-Cu复合板材在200°C、300°C和400°C退火后的微观结构、扩散行为和织构演变，并分析了剪切断裂行为。结论如下：

(1) Cu网状中间层有效抑制了脆性Mg-Al金属间化合物（IMCs，主要是Al?Mg?和Al??Mg??）的形成和生长。

(2) 退火导致Al层晶粒显著粗化（从200°C时的4.66 μm增大到

利益声明

本手稿的提交过程中不存在利益冲突，所有作者均同意发表该手稿。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方全部或部分发表。所有列出的作者均已批准所附的手稿。

作者贡献声明

谢旭峰：软件、资源、方法论。王艳：方法论、形式分析。胡洪军：写作——审阅与编辑、概念化。袁婷：软件、资源、方法论。吴文宇：写作——初稿、概念化。易志豪：资源、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作