摘要
铝/钢双金属复合材料兼具了铝合金的比重低、耐腐蚀性好、铸造性好和钢的高强度、耐磨性好等性能，在汽车发动机缸套轻量化上具有十分广阔的前景。由于Al和Fe的物理化学性能差异性较大，铝/钢双金属的连接十分困难。液固复合法工艺简单，且对材料性能的限制性较小，是制备铝/钢双金属复合材料比较广泛且经济适用的一种工艺。但是在实际的液固复合过程中，铝/钢之间很难形成冶金结合，导致界面结合不稳定，从而严重制约了铝/钢双金属复合材料的发展和应用。 结合国内外铝/钢双金属材料的研究现状，本课题利用SEM、EDS、EBSD等手段研究了Si元素对铝/钢双金属界面的影响机理以及不同热浸时间的铝/钢双金属界面复合层生长动力学；通过在钢板助镀处理和热浸镀铝处理改善铝合金在钢表面的润湿性及铝/钢双金属结合；利用超音速火焰喷涂技术在 45 钢表面喷涂FeCoCrNiAl高熵合金涂层，在助镀处理和热浸镀铝的基础上，采用液固复合的方法制备铝/钢双金属试样，研究了高熵合金涂层对铝/钢双金属界面组织和性能的影响。主要研究结果如下： 利用热浸镀实验，研究了不同Si含量和热浸时间对铝/钢双金属界面的影响。纯Fe热浸纯Al熔体时，Al/Fe界面复合层主要由Al5Fe2相和Al13Fe4相组成。热浸不同Si含量的Al-Si/Fe界面复合层主要由Al5Fe2相以及弥散分布其中的τ1-(Al, Si)5Fe3相、Al13Fe4相、τ5-Al7Fe2Si相和τ6-Al9Fe2Si2相组成。随着Si含量的增加， Al-Si/Fe 界面复合层靠近镀铝层一侧化合物 τ6的形貌由块状变化成条状。根据EBSD结果分析，Al5Fe2相和τ6-Al9Fe2Si2相在[001]方向具有择优取向，Al13Fe4相在[010]方向具有择优取向，τ5-Al7Fe2Si 相在[001]方向具有择优取向。随着 Al 熔体中Si含量的增加，Al-Si/Fe界面处复合层的厚度逐渐减少，这主要是由于Si原子占据了Al5Fe2相晶体结构中c轴[001]方向上的的扩散通道，阻碍了Al原子向Fe侧的扩散。Al-Si/Fe界面处复合层的厚度会随着热浸时间的增加逐渐增加，主要表现在 Al5Fe2 相的快速增长，并拟合出 Al5Fe2 相的生长动力学方程：Z=0.22×t0.6875。 通过对钢基体进行表面处理，既有效避免复合过程中的二次氧化现象，又可以提高铝熔体对钢基体表面的润湿性。铝/钢的直接复合会导致界面处出现开裂现象，而在钢表面助镀K2ZrF6活性剂，复合后界面仍会出现氧化区域，界面结合不稳定，只能以机械咬合的方式复合，而钢表面助镀改性后再进行热浸镀铝处理，观察其复合界面，发现界面处形成了冶金层，界面结合比较稳定，实现了铝/钢间的冶金结合。 利用高熵合金涂层作为中间层，制备了铝/钢液固复合双金属材料。未喷涂HEA 涂层和喷涂 HEA 涂层的双金属界面均形成冶金结合，复合层厚度分别为24.5μm、25.7μm。铝/钢双金属界面复合层从钢基体侧到铝基体侧由Al5Fe2、弥散在Al5Fe2中的τ1-(Al, Si)5Fe3、Al13Fe4、τ5-Al7Fe2Si和τ6-Al9Fe2Si2组成。钢表面喷涂HEA涂层后，提高了铝液对钢表面的润湿性，Co、Cr、Ni合金元素以固溶形成存在于铝基体、钢基体和复合层中，而且没有改变Al5Fe2相在[001]方向上的择优取向；界面复合层纳米硬度与未喷涂HEA涂层的双金属复合层相比变化不大，都呈现出连续变化的趋势；界面剪切强度较未喷涂HEA涂层的双金属提高了47%，断裂方式均属于脆性断裂，剪切过程中断裂均发生在Al5Fe2中。热浸10min后界面结合强度达到20.6MPa，当热浸20min后，界面结合强度为17MPa，结合强度出现了下降。
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