摘 要:針對(duì)層狀金屬?gòu)?fù)合材料金相試樣侵蝕難度大的問(wèn)題,介紹了復(fù)合材料金相試樣的侵蝕方法,特別是對(duì)結(jié)合面不規(guī)則的金屬?gòu)?fù)合材料,提出了利用毛細(xì)現(xiàn)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(fù)合板TA1/16MnR的金相試樣。

1 層狀金屬?gòu)?fù)合材料的侵蝕劑

試樣在經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光后,下一個(gè)步驟就是侵蝕,層狀金屬?gòu)?fù)合材料因?qū)訝罱M分間的物理化學(xué)性質(zhì)差異較大,因此其侵蝕方法與純金屬有很大不同。金屬?gòu)?fù)合材料各組分物理性能相近時(shí),可選用電解侵蝕的方法,如銅2鋁合金復(fù)合板采用電解侵蝕時(shí)參數(shù)可選定為:電壓18V,125mL甲醇+50mLHNO3侵蝕1～2min。大多數(shù)金屬?gòu)?fù)合材料較少選擇電解侵蝕,常用的方法是化學(xué)侵蝕法,化學(xué)侵蝕法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,容易操作。目前,除少數(shù)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(guān)鍵,表1介紹了一些常用復(fù)合材料的侵蝕試劑和侵蝕方法。

對(duì)層狀組分復(fù)合材料,需根據(jù)各組分所用侵蝕劑和金屬層結(jié)合面的特點(diǎn)選用合適的侵蝕方法。

2 層狀金屬?gòu)?fù)合材料的侵蝕方法

2.1 金屬層結(jié)合面平直的復(fù)合材料的侵蝕方法

(1)對(duì)于層狀組分復(fù)合材料,若各組分所用侵蝕劑及侵蝕時(shí)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(fù)合材料,可用4%HNO3水溶液同時(shí)侵蝕,侵蝕達(dá)到要求后用蒸餾水沖洗,再用酒精脫水吹干即可。

(2)對(duì)于各組分所用侵蝕劑不同的復(fù)合材料,可按次序分別將各層金屬浸入到侵蝕劑中進(jìn)行分層侵蝕。如鈦2銅復(fù)合材料,鈦一側(cè)需用1HF+1HNO3+8H2O(體積比:1∶1∶8)侵蝕劑侵蝕,銅一側(cè)需用20%～50%HNO3水溶液侵蝕。侵蝕時(shí)將復(fù)合材料試樣平放在器皿中,使鈦一側(cè)朝下與器皿底面接觸,并保障復(fù)合材料的結(jié)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(jié)合面相平時(shí)停止滴加。侵蝕達(dá)到要求后取出,再用同樣的辦法侵蝕銅一側(cè),侵蝕達(dá)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(jié)合面不平直的復(fù)合材料的侵蝕方法

大多數(shù)情況下,金屬層結(jié)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(duì)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(fù)合板TA1/16MnR為例,詳細(xì)介紹金屬層結(jié)合面不平直的復(fù)合材料的侵蝕方法。圖2為爆炸焊復(fù)合板TA1/16MnR拋光后的試樣。

復(fù)合板的結(jié)合面呈波浪形,在波的前方有一個(gè)不連續(xù)的漩渦區(qū),該漩渦區(qū)為熔化塊,TA1和16MnR在漩渦區(qū)相互纏結(jié),這樣增大了兩種金屬的接觸面積,從而提高了焊縫的結(jié)合強(qiáng)度。

此類復(fù)合材料試樣的侵蝕難度比結(jié)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(shí)侵蝕。同時(shí),因?yàn)楦鲗咏饘傧嗷デ度?且形成的鋸齒或波紋尺寸非常小,用人工方法很難對(duì)其進(jìn)行選擇性侵蝕。

在實(shí)際操作中,可利用毛細(xì)現(xiàn)象,達(dá)到分層侵蝕的目的。毛細(xì)現(xiàn)象是由表面張力和表面浸潤(rùn)現(xiàn)象共同引起的,由三相(固相、液相和氣相)組成的系統(tǒng),固相與氣相的接觸面被固相與液相取代的現(xiàn)象稱為浸潤(rùn)。在浸潤(rùn)過(guò)程中會(huì)釋放出能量,稱為浸潤(rùn)功。浸潤(rùn)功提供了能量,使液面沿毛細(xì)管上升。即能量轉(zhuǎn)化為毛細(xì)管中液柱的勢(shì)能。在侵蝕時(shí)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(jié)合面及TA1一側(cè),然后用蒸餾水沖洗干凈,并用電吹風(fēng)吹干,拋光過(guò)的TA1表面被輕微侵蝕,形成許多細(xì)微的溝凹,如圖3所示。這些細(xì)微的溝凹可以起到毛細(xì)管的作用。

16MnR在靠近結(jié)合面處因加工硬化的作用,抗蝕能力強(qiáng),未被侵蝕,上表面光滑。將復(fù)合材料試樣平放在塑料器皿中,使TA1一側(cè)朝下與塑料器皿底面接觸,并保障復(fù)合材料的結(jié)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(dāng)侵蝕劑液面與TA1波紋的波谷相平或略低時(shí)停止滴加。TA1表面上,在固液交界處溝凹內(nèi)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(shì),因此凹液面對(duì)下面液體會(huì)產(chǎn)生拉力作用;同時(shí)在浸潤(rùn)功的作用下侵蝕劑沿著TA1表面的溝凹上升,當(dāng)侵蝕劑液面上升到復(fù)合材料結(jié)合面時(shí),因16MnR未被侵蝕,表面光滑,潤(rùn)濕性差,TA1層上的侵蝕劑不再向16MnR層上擴(kuò)散。其結(jié)果是侵蝕劑僅在整個(gè)TA1表面上鋪開,達(dá)到侵蝕的目的。TA1侵蝕達(dá)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(jié)合面及16MnR一側(cè),直到16MnR侵蝕達(dá)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(fù)合板由于加工簡(jiǎn)單,成本低,具有優(yōu)

良的使用性能,能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的使用要求,因而得到廣泛的應(yīng)用。從圖5可以看到TA1微粒隨漩渦卷入16MnR層內(nèi)的現(xiàn)象,在靠近結(jié)合面處,TA1及16MnR的晶粒較細(xì)小;離界面遠(yuǎn)一點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)是破碎的和被拉長(zhǎng)的晶粒的混合體。在離結(jié)合面稍遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)晶粒沿著波形輪廓呈彎曲的纖維狀,說(shuō)明在爆炸焊接過(guò)程中金屬的組織發(fā)生了波狀的塑性流動(dòng)。在遠(yuǎn)離結(jié)合面的區(qū)域內(nèi),TA1及16MnR的組織趨近于原始組織(圖6和圖7)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于復(fù)合材料,因其結(jié)構(gòu)和成分的特殊性,在侵蝕過(guò)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(jié)合面不平直的復(fù)合材料,侵蝕操作難度大,利用毛細(xì)現(xiàn)象可以方便地對(duì)結(jié)合面不平直的復(fù)合材料進(jìn)行選擇性侵蝕,制作出理想的金相試樣。