华中科技大学樊自田教授、蒋文明教授团队最新成果，利用显微CT等手段深入探究超声波振动处理（UVT）对Al/Mg双金属复合材料界面的微观组织和力学性能的影响。该成果发表在一区期刊《Composites Part B》（IF:12.7）上，第一作者为华中科技大学博士生李庆晴，通讯作者为华中科技大学蒋文明教授。
实验使用微旷科技XPloreVista 2000 4D显微原位CT，对样品进行了高精度扫描，验证了数值模拟的结果。
论文标题：
“New insights into the influencing mechanism of ultrasonic vibration on interface of Al/Mg bimetal composites by compound casting using simulation calculation and experimental verification”
（通过模拟计算和实验验证对超声波振动在Al/Mg双金属复合材料界面影响机制的新见解）
研究摘要
本研究对超声波振动复合铸造Al/Mg双金属复合材料中的声压分布进行了数值模拟，并进行了相关实验验证，以了解超声波振动处理（UVT）对Al/Mg双金属复合材料界面微观组织和力学性能的影响。结果表明，镁合金熔体中的声压分布与振动频率有关。在超声频率为20 kHz时，Al/Mg界面空化区域占比达到最大值95.6%。实验结果发现，未使用UVT时Al/Mg界面由Al-Mg金属间化合物（IMCs，即Al3Mg2和Al12Mg17）层和共晶层组成。两层之间存在氧化膜和孔隙。Mg2Si颗粒聚集在IMCs层。界面晶粒较粗大且呈定向生长。在UVT的作用下，Al/Mg界面的氧化膜被破碎，孔隙被消除。界面微观组织发生显著细化。由于UVT加速了元素扩散和溶质转移，Al/Mg界面微观组织更为均匀。Mg2Si颗粒被细化并出现在共晶层。UVT降低了IMCs层和共晶层的显微硬度差异。使用UVT的Al/Mg双金属复合材料界面的剪切强度提高至62.2 MPa，与未使用UVT的复合材料相比提高了62.8%。
CT表征方法
为深入分析Al/Mg界面的相和缺陷分布，本研究采用空间分辨率为2 μm的显微CT（使用设备为微旷科技XPloreVista 2000 4D显微原位CT），分别对使用和未使用UVT的Al/Mg双金属样品界面区域进行了扫描。
CT表征结果
图1展示了Al/Mg双金属样品界面区域的显微CT三维重建图像和切片图像。在没有超声振动处理（UVT）的情况下，Al/Mg界面存在孔隙，如图1(c)所示。经过UVT处理后，孔隙被消除，如图1(d)所示。然而，由于金属间化合物（IMCs）和共晶的密度接近，它们难以区分。Al/Mg界面处的白色相分布与Mg2Si颗粒的分布一致，因此白色相为Mg2Si。
图1. Al/Mg双金属样品的micro-CT三维重建图像和切片图像：(a, c)未使用 UVT，(b, d)使用 UVT。
图2展示了Al/Mg双金属样品的相分布和孔隙分布。如图2(a)和(c)所示，未使用UVT时Al/Mg界面Mg2Si颗粒的等效球径为~287.437 μm。且在Al/Mg界面观察到孔隙缺陷，其等效球径约为99.728 μm，这些孔隙位于Al12Mg17层和共晶层之间，如图2(e)所示，这与SEM观察结果一致。Mg2Si颗粒聚集在靠近孔隙的金属间化合物（IMCs）层。经过超声振动处理（UVT）后，Mg2Si颗粒被细化，等效球径降至~54.142 μm，如图2(b)所示。此外，Mg2Si颗粒均匀分散在整个Al/Mg界面上，如图2(b)和(d)所示。然而，由于显微CT系统的分辨率有限，尺寸小于2 μm的Mg2Si颗粒未被识别。UVT后孔隙缺陷显著减少，仅观察到等效球径为~2.699 μm的微小孔隙，如图2(f)所示。
图2. Al/Mg双金属样品的相分布和孔隙分布的 micro-CT 三维重建图像：相分布(a)无UVT时，(b)有UVT时，(c)为(a)中黄色框的放大图像，(d)为(b)中黄色框的放大图像。孔隙分布(e)无UVT，(f)有UVT时。Al/Mg界面位于(a)和(b)中红色虚线之间。
研究结论
通过数值模拟揭示了超声振动复合铸造Al/Mg双金属过程中镁合金熔体的声压分布，并进行了相关实验验证。得出以下结论：
(1) Al/Mg界面的声压分布随超声频率的变化而变化。在镁合金熔体中引入频率分别为16 kHz、20 kHz 和24 kHz 的超声波振动后，Al/Mg界面空化区域占比达到85.4%以上，在振动频率为20 kHz时，界面空化区域占比最大，达到95.6%。
(2) 经过超声振动处理（UVT）后，Al/Mg界面存在的氧化膜和孔隙缺陷被消除。由于UVT加速了元素扩散和溶质传输，Al/Mg界面处的Al12Mg17相比例增加。界面晶粒在超声振动作用下显著细化。此外，Mg2Si颗粒在UVT作用下被分散、细化并在共晶层形成，而不是聚集在金属间化合物（IMCs）层。
(3) 使用UVT时Al/Mg界面的显微硬度分布更加均匀。有UVT的Al/Mg双金属的剪切强度为62.2 MPa，与无UVT的Al/Mg双金属相比提高了62.8%。强化机制主要是细晶强化和第二相弥散强化。
原始文献：
Li Q, Jiang W, Xu Y, et al. New insights into the influencing mechanism of ultrasonic vibration on interface of Al/Mg bimetal composites by compound casting using simulation calculation and experimental verification[J]. Composites Part B: Engineering, 2024, 284: 111726.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836824005389
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