层状金属复合材料金相试样的侵蚀方法

摘 要:针对层状金属复合材料金相试样侵蚀难度大的问题,介绍了复合材料金相试样的侵蚀方法,特别是对结合面不规则的金属复合材料,提出了利用毛细现象制备金相试样的方法。利用提出的方法成功制备出了爆炸焊接复合板TA1/16MnR的金相试样。

试样在经过粗磨、细磨和抛光后,下一个步骤就是侵蚀,层状金属复合材料因层状组分间的物理化学性质差异较大,因此其侵蚀方法与纯金属有很大不同。金属复合材料各组分物理性能相近时,可选用电解侵蚀的方法,如铜2铝合金复合板采用电解侵蚀时参数可选定为:电压18V,125mL甲醇+50mLHNO3侵蚀1～2min。大多数金属复合材料较少选择电解侵蚀,常用的方法是化学侵蚀法,化学侵蚀法实现简单,容易操作。目前,除少数组合外,大多需要使用两种或多种侵蚀剂分次侵蚀不同的金属层。选择合适的侵蚀剂是侵蚀操作的关键,表1介绍了一些常用复合材料的侵蚀试剂和侵蚀方法。

对层状组分复合材料,需根据各组分所用侵蚀剂和金属层结合面的特点选用合适的侵蚀方法。

2 层状金属复合材料的侵蚀方法

2.1 金属层结合面平直的复合材料的侵蚀方法

(1)对于层状组分复合材料,若各组分所用侵蚀剂及侵蚀时间相同,则将抛光后的试样浸入到侵蚀剂中侵蚀。如铝2铜复合材料,可用4%HNO3水溶液同时侵蚀,侵蚀达到要求后用蒸馏水冲洗,再用酒精脱水吹干即可。

(2)对于各组分所用侵蚀剂不同的复合材料,可按次序分别将各层金属浸入到侵蚀剂中进行分层侵蚀。如钛2铜复合材料,钛一侧需用1HF+1HNO3+8H2O(体积比:1∶1∶8)侵蚀剂侵蚀,铜一侧需用20%～50%HNO3水溶液侵蚀。侵蚀时将复合材料试样平放在器皿中,使钛一侧朝下与器皿底面接触,并保障复合材料的结合面与器皿底面平行,用滴管吸取1HF+1HNO3+8H2O(体积比:1∶1∶8)注入到器皿中,等到液面与钛2铜结合面相平时停止滴加。侵蚀达到要求后取出,再用同样的办法侵蚀铜一侧,侵蚀达到要求后,用蒸馏水冲洗,再用酒精脱水吹干。

2.2 金属层结合面不平直的复合材料的侵蚀方法

大多数情况下,金属层结合面并非平直,如呈锯齿形或波纹形等。其特征为异种金属相互嵌入到对方金属层中,且各金属组分要分别选用不同的侵蚀剂。以爆炸焊接复合板TA1/16MnR为例,详细介绍金属层结合面不平直的复合材料的侵蚀方法。

复合板的结合面呈波浪形,在波的前方有一个不连续的漩涡区,该漩涡区为熔化块,TA1和16MnR在漩涡区相互缠结,这样增大了两种金属的接触面积,从而提高了焊缝的结合强度。

此类复合材料试样的侵蚀难度比结合面平直的试样侵蚀难度大得多。不能直接用以上介绍的分层侵蚀法侵蚀。如果TA1侵蚀剂的液面与TA1波纹的波谷相平,则TA1的波峰侵蚀不到,如果液面与波峰相平,则16MnR被同时侵蚀。同时,因为各层金属相互嵌入,且形成的锯齿或波纹尺寸非常小,用人工方法很难对其进行选择性侵蚀。

在实际操作中,可利用毛细现象,达到分层侵蚀的目的。毛细现象是由表面张力和表面浸润现象共同引起的,由三相(固相、液相和气相)组成的系统,固相与气相的接触面被固相与液相取代的现象称为浸润。在浸润过程中会释放出能量,称为浸润功。浸润功提供了能量,使液面沿毛细管上升。即能量转化为毛细管中液柱的势能。在侵蚀时先用脱脂棉球蘸取0.5HF+0.5HNO3+9H2O(体积比:1∶1∶18)侵蚀剂迅速擦拭金属层结合面及TA1一侧,然后用蒸馏水冲洗干净,并用电吹风吹干,抛光过的TA1表面被轻微侵蚀,形成许多细微的沟凹,如图3所示。这些细微的沟凹可以起到毛细管的作用。

16MnR在靠近结合面处因加工硬化的作用,抗蚀能力强,未被侵蚀,上表面光滑。将复合材料试样平放在塑料器皿中,使TA1一侧朝下与塑料器皿底面接触,并保障复合材料的结合面与塑料器皿底面平行。用滴管吸取1HF+1HNO3+8H2O(体积比: 1∶1∶8)侵蚀剂滴加到塑料器皿中,当侵蚀剂液面与TA1波纹的波谷相平或略低时停止滴加。TA1表面上,在固液交界处沟凹内的液面在竖直方向上呈凹状。由于液体表面存在张力,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势,因此凹液面对下面液体会产生拉力作用;同时在浸润功的作用下侵蚀剂沿着TA1表面的沟凹上升,当侵蚀剂液面上升到复合材料结合面时,因16MnR未被侵蚀,表面光滑,润湿性差,TA1层上的侵蚀剂不再向16MnR层上扩散。其结果是侵蚀剂仅在整个TA1表面上铺开,达到侵蚀的目的。TA1侵蚀达到要求后取出,用蒸馏水冲洗,用酒精脱水后吹干,再用脱脂棉球蘸取4%HNO3酒精溶液擦拭结合面及16MnR一侧,直到16MnR侵蚀达到要求为止。用蒸馏水冲洗,用酒精脱水后吹干。分层侵蚀的示意图见图4。

爆炸焊接复合板由于加工简单,成本低,具有优

良的使用性能,能够满足复杂环境下的使用要求,因而得到广泛的应用。从图5可以看到TA1微粒随漩涡卷入16MnR层内的现象,在靠近结合面处,TA1及16MnR的晶粒较细小;离界面远一点的区域内是破碎的和被拉长的晶粒的混合体。在离结合面稍远的区域内晶粒沿着波形轮廓呈弯曲的纤维状,说明在爆炸焊接过程中金属的组织发生了波状的塑性流动。在远离结合面的区域内,TA1及16MnR的组织趋近于原始组织(图6和图7)。

3 结语

对于复合材料,因其结构和成分的特殊性,在侵蚀过程中就要采用特殊的方法,才能得到理想的试样。特别是异种金属结合面不平直的复合材料,侵蚀操作难度大,利用毛细现象可以方便地对结合面不平直的复合材料进行选择性侵蚀,制作出理想的金相试样。