摘 要:針對層狀金屬復合材料金相試樣侵蝕難度大的問題,介紹了復合材料金相試樣的侵蝕方法,特別是對結合面不規則的金屬復合材料,提出了利用毛細現象制備金相試樣的方法。利用提出的方法成功制備出了爆炸焊接復合板TA1/16MnR的金相試樣。

1 層狀金屬復合材料的侵蝕劑

試樣在經過粗磨、細磨和拋光后,下一個步驟就是侵蝕,層狀金屬復合材料因層狀組分間的物理化學性質差異較大,因此其侵蝕方法與純金屬有很大不同。金屬復合材料各組分物理性能相近時,可選用電解侵蝕的方法,如銅2鋁合金復合板采用電解侵蝕時參數可選定為:電壓18V,125mL甲醇+50mLHNO3侵蝕1～2min。大多數金屬復合材料較少選擇電解侵蝕,常用的方法是化學侵蝕法,化學侵蝕法實現簡單,容易操作。目前,除少數組合外,大多需要使用兩種或多種侵蝕劑分次侵蝕不同的金屬層。選擇合適的侵蝕劑是侵蝕操作的關鍵,表1介紹了一些常用復合材料的侵蝕試劑和侵蝕方法。

對層狀組分復合材料,需根據各組分所用侵蝕劑和金屬層結合面的特點選用合適的侵蝕方法。

2 層狀金屬復合材料的侵蝕方法

2.1 金屬層結合面平直的復合材料的侵蝕方法

(1)對于層狀組分復合材料,若各組分所用侵蝕劑及侵蝕時間相同,則將拋光后的試樣浸入到侵蝕劑中侵蝕。如鋁2銅復合材料,可用4%HNO3水溶液同時侵蝕,侵蝕達到要求后用蒸餾水沖洗,再用酒精脫水吹干即可。

(2)對于各組分所用侵蝕劑不同的復合材料,可按次序分別將各層金屬浸入到侵蝕劑中進行分層侵蝕。如鈦2銅復合材料,鈦一側需用1HF+1HNO3+8H2O(體積比:1∶1∶8)侵蝕劑侵蝕,銅一側需用20%～50%HNO3水溶液侵蝕。侵蝕時將復合材料試樣平放在器皿中,使鈦一側朝下與器皿底面接觸,并保障復合材料的結合面與器皿底面平行,用滴管吸取1HF+1HNO3+8H2O(體積比:1∶1∶8)注入到器皿中,等到液面與鈦2銅結合面相平時停止滴加。侵蝕達到要求后取出,再用同樣的辦法侵蝕銅一側,侵蝕達到要求后,用蒸餾水沖洗,再用酒精脫水吹干。分層侵蝕示意圖見圖1。

2.2 金屬層結合面不平直的復合材料的侵蝕方法

大多數情況下,金屬層結合面并非平直,如呈鋸齒形或波紋形等。其特征為異種金屬相互嵌入到對方金屬層中,且各金屬組分要分別選用不同的侵蝕劑。以爆炸焊接復合板TA1/16MnR為例,詳細介紹金屬層結合面不平直的復合材料的侵蝕方法。圖2為爆炸焊復合板TA1/16MnR拋光后的試樣。

復合板的結合面呈波浪形,在波的前方有一個不連續的漩渦區,該漩渦區為熔化塊,TA1和16MnR在漩渦區相互纏結,這樣增大了兩種金屬的接觸面積,從而提高了焊縫的結合強度。

此類復合材料試樣的侵蝕難度比結合面平直的試樣侵蝕難度大得多。不能直接用以上介紹的分層侵蝕法侵蝕。如果TA1侵蝕劑的液面與TA1波紋的波谷相平,則TA1的波峰侵蝕不到,如果液面與波峰相平,則16MnR被同時侵蝕。同時,因為各層金屬相互嵌入,且形成的鋸齒或波紋尺寸非常小,用人工方法很難對其進行選擇性侵蝕。

在實際操作中,可利用毛細現象,達到分層侵蝕的目的。毛細現象是由表面張力和表面浸潤現象共同引起的,由三相(固相、液相和氣相)組成的系統,固相與氣相的接觸面被固相與液相取代的現象稱為浸潤。在浸潤過程中會釋放出能量,稱為浸潤功。浸潤功提供了能量,使液面沿毛細管上升。即能量轉化為毛細管中液柱的勢能。在侵蝕時先用脫脂棉球蘸取0.5HF+0.5HNO3+9H2O(體積比:1∶1∶18)侵蝕劑迅速擦拭金屬層結合面及TA1一側,然后用蒸餾水沖洗干凈,并用電吹風吹干,拋光過的TA1表面被輕微侵蝕,形成許多細微的溝凹,如圖3所示。這些細微的溝凹可以起到毛細管的作用。

16MnR在靠近結合面處因加工硬化的作用,抗蝕能力強,未被侵蝕,上表面光滑。將復合材料試樣平放在塑料器皿中,使TA1一側朝下與塑料器皿底面接觸,并保障復合材料的結合面與塑料器皿底面平行。用滴管吸取1HF+1HNO3+8H2O(體積比: 1∶1∶8)侵蝕劑滴加到塑料器皿中,當侵蝕劑液面與TA1波紋的波谷相平或略低時停止滴加。TA1表面上,在固液交界處溝凹內的液面在豎直方向上呈凹狀。由于液體表面存在張力,如果液面是彎曲的,它就有變平的趨勢,因此凹液面對下面液體會產生拉力作用;同時在浸潤功的作用下侵蝕劑沿著TA1表面的溝凹上升,當侵蝕劑液面上升到復合材料結合面時,因16MnR未被侵蝕,表面光滑,潤濕性差,TA1層上的侵蝕劑不再向16MnR層上擴散。其結果是侵蝕劑僅在整個TA1表面上鋪開,達到侵蝕的目的。TA1侵蝕達到要求后取出,用蒸餾水沖洗,用酒精脫水后吹干,再用脫脂棉球蘸取4%HNO3酒精溶液擦拭結合面及16MnR一側,直到16MnR侵蝕達到要求為止。用蒸餾水沖洗,用酒精脫水后吹干。分層侵蝕的示意圖見圖4。

爆炸焊接復合板由于加工簡單,成本低,具有優

良的使用性能,能夠滿足復雜環境下的使用要求,因而得到廣泛的應用。從圖5可以看到TA1微粒隨漩渦卷入16MnR層內的現象,在靠近結合面處,TA1及16MnR的晶粒較細小;離界面遠一點的區域內是破碎的和被拉長的晶粒的混合體。在離結合面稍遠的區域內晶粒沿著波形輪廓呈彎曲的纖維狀,說明在爆炸焊接過程中金屬的組織發生了波狀的塑性流動。在遠離結合面的區域內,TA1及16MnR的組織趨近于原始組織(圖6和圖7)。

3 結語

對于復合材料,因其結構和成分的特殊性,在侵蝕過程中就要采用特殊的方法,才能得到理想的試樣。特別是異種金屬結合面不平直的復合材料,侵蝕操作難度大,利用毛細現象可以方便地對結合面不平直的復合材料進行選擇性侵蝕,制作出理想的金相試樣。