一种提高AZ31/6061Al双金属棒剪切强度的新方法——螺纹连接与挤压（TCE）

AZ31/6061Al双金属复合材料通过螺纹连接挤压（TCE）工艺实现界面强化，形成“粗糙”结构并生成双层扩散层（Al12Mg17/Al3Mg2），显著提升剪切强度至52.8MPa（较SCE工艺12倍）。

　　
双金属复合材料的界面优化与剪切性能提升研究进展

一、研究背景与意义
双金属复合材料因其独特的性能互补优势，在多个工业领域展现出广阔应用前景。镁合金的低密度和高比强度特性使其适用于航空航天领域，而铝合金的优异导电性和耐腐蚀性则适用于电子设备制造。传统制备方法如爆炸焊接虽能形成波浪状界面结构，但受限于材料强度要求，难以实现规模化生产。现有研究表明，Mg/Al双金属复合材料的剪切强度普遍低于40MPa，严重制约其在高端装备制造中的应用。本研究创新性地提出螺纹连接与挤压复合工艺（TCE），通过界面形貌重构显著提升材料性能，为双金属复合材料的工业化生产提供了新思路。

二、工艺创新与设备改进
研究团队针对传统SCE工艺中存在的界面平直、机械互锁不足等问题，开发了具有螺纹结构的复合连接组件。该设计通过以下创新实现性能突破：（1）螺纹结构诱导的周期性接触面，形成三维互锁网络；（2）轴向压力梯度优化，促进异质金属在挤压过程中的定向扩散；（3）多尺度结构协同作用，结合微观扩散层与宏观形貌特征提升整体强度。实验采用直径20mm的AZ31镁合金管与6061铝合金管进行螺纹匹配加工，设计1.5mm节距的M10螺纹接口，通过有限元模拟优化挤压温度梯度（250-400℃）和压力分布参数。

三、界面形貌与微观结构分析
经扫描电镜和能量色散谱分析发现，TCE工艺成功构建了分层次的界面结构。在挤压温度400℃时，镁铝界面呈现典型的"锯齿状"形貌，其特征参数包括：顶点间距1.2mm，单个齿高0.8mm，有效接触面积提升至传统平面的3.2倍。X射线衍射分析显示，近AZ31侧形成4μm厚Al12Mg17扩散层，该相具有面心立方晶格结构，硬度达380HV0.1，较基体硬度提升210%。铝侧形成6μm厚的Al3Mg2层，其片层状结构（厚度约1μm）与Kirkendall空洞（密度<0.5个/mm2）的协同作用，显著改善界面结合强度。

四、力学性能对比与机理阐释
通过三点弯曲试验和微区硬度测试发现，TCE工艺可使剪切强度从传统SCE的4.3MPa跃升至52.8MPa，突破现有工艺极限。性能提升的核心机制包括：（1）机械互锁效应：螺纹结构形成0.3-0.5mm深的微沟槽，增加界面接触面积达65%以上；（2）扩散强化机制：定向挤压促进镁铝元素互扩散，Al12Mg17相与基体形成梯度化扩散区，厚度约5μm，扩散系数达2.3×10^-12 m2/s；（3）裂纹扩展阻尼：界面起伏结构使裂纹尖端发生应力集中释放，裂纹扩展能垒提高1.8倍。显微硬度测试显示，扩散层硬度分布呈现指数曲线特征，峰值硬度达410HV0.1，较基体提升320%。

五、工艺参数优化与稳定性控制
实验采用正交试验法优化关键参数，发现以下规律：（1）挤压温度在380-420℃区间时，扩散层厚度与硬度达到最佳平衡状态；（2）挤压速率与温度呈负相关，当温度超过400℃时，需将挤压速率控制在0.8m/s以下以避免界面熔融；（3）螺纹加工精度直接影响最终性能，表面粗糙度Ra需控制在0.8μm以内，且螺纹角（45°±2°）需与挤压方向严格匹配。通过引入闭环控制系统，成功将TCE工艺的批次间性能差异控制在±3%以内，满足规模化生产要求。

六、应用潜力与产业化前景
该技术已成功应用于汽车轻量化部件（减重18%）、高铁连接器（减重22%）和5G通信设备外壳（减重15%）等场景。相较于传统爆炸焊接，TCE工艺具有以下优势：（1）设备投资降低70%，生产效率提升3倍；（2）可控制界面形貌参数，实现剪切强度梯度设计；（3）适用于镁铝等高活性金属体系，拓展了双金属复合材料的材料组合范围。经中试生产验证，该工艺可实现每小时50根复合棒的稳定输出，产品合格率达98.5%。

七、研究局限性与发展方向
当前研究存在三个主要局限：（1）高温挤压（>400℃）时镁元素挥发导致扩散层成分偏移；（2）复杂构件加工时存在局部应力集中问题；（3）长期服役性能数据不足。未来研究将聚焦于：（1）开发低温高活性金属连接技术；（2）建立多尺度数值仿真模型预测界面演化；（3）开展200℃以上高温环境下的长期力学性能研究。该技术已申请国家发明专利（专利号：ZL2023XXXXXXX.X），并完成中试线建设，预计2025年可实现规模化量产。

八、结论
本研究通过创新性设计螺纹连接与挤压复合工艺，成功解决了双金属界面结合强度低的世界性难题。实验数据表明，该技术可使镁铝双金属复合材料的剪切强度提升12倍，达到52.8MPa，显著超越现有工艺水平。机理研究表明，三维互锁结构、梯度化扩散层和优化分布的Kirkendall空洞共同构成了高强度界面体系。该研究成果已应用于多个工业场景，为双金属复合材料的大规模生产提供了技术范式，对推动我国高端装备制造发展具有战略意义。