超景深显微镜观测：异温轧制制备钛-铝-镁复合板的组织性能研究

 

 

金属层状复合材料可整合单一金属的优异性能，在航空航天、高端制造等领域应用广泛，但钛、铝、镁等异质金属轧制复合面临变形不协调、结合强度低等问题。本文基于异温轧制技术，系统研究钛 / 铝、钛 / 镁双层及钛 / 铝 / 镁、钛 / 镁 / 铝三层复合板的制备工艺与组织性能，结合超景深显微镜揭示复合机理。光子湾科技的超景深显微镜凭借高分辨率三维成像能力，可为复合板界面微观形貌、断口特征的精准观测提供关键技术支持，助力深入解析工艺与性能的关联。

 

 

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实验内容及研究方法

三层复合板组坯方式示意图

a) 钛/铝/镁复合板；b) 钛/镁/铝复合板

1. 实验材料

选用TA1 纯钛、AA6061 铝合金、AZ31B 镁合金，尺寸均为100mm×60mm×2mm，其化学成分及力学性能明确，板材表面经打磨、清洗去除氧化层。

2. 轧制工艺

单独加热钛板异温轧制：电阻炉加热钛板至500~900℃，铝板或镁板室温，压下率 20%~50%，研究温度与压下率的影响。

纵向电磁感应加热：氩气保护，以铁板为中间层对称组坯，形成钛- 铝（或钛 - 镁）温差，压下率 17.5%~50.5%，避免氧化且控温精准。

横向电磁感应加热：直接加热钛板，控制钛与铝/ 镁温差，铝与镁贴合保相近温度，制备钛/ 铝 / 镁和钛 / 镁 / 铝三层复合板，压下率20%~55%。

3. 性能测试与微观表征

采用拉剪试验测结合强度，拉伸与弯曲试验评估力学性能；通过超景深显微镜观测断口三维轮廓及粗糙度，SEM、EDS 分析界面元素扩散，XRD 鉴定物相。

 

 

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双层复合板研究结果

 

 

异温轧制结合机理示意图

1. 钛/ 铝复合板

变形协调性：随钛板温度升高（800℃最佳）和压下率增大（50%），钛、铝变形量差值减小，相对变形率比值达 0.95，实现协调变形。

结合性能：剪切强度随压下率提升，800℃、50% 压下率时达 107.5MPa（接近铝基体）；大压下率下界面氧化层破裂，铝挤入裂口与新鲜钛接触，形成机械啮合与冶金结合双重作用。

2. 钛/ 镁复合板

异温vs 同温轧制：异温显著改善变形协调，25% 压下率时钛、镁变形率分别为 23.4%、26.6%；同温变形差大，界面易开裂。

结合机理：同温以元素扩散为主，异温因钛层高温变形产生裂口，镁挤入形成机械啮合，剪切强度最高76MPa（66% 压下率）。

3. 感应加热优化效果

纵向感应加热在氩气保护下避免氧化，小压下率（17.5%）时钛 / 铝剪切强度 64MPa（较电阻炉提升 5 倍）；界面洁净促进扩散，大压下率时断口呈韧性特征，拉伸与弯曲性能显著改善。

 

 

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三层复合板研究结果

超景深显微镜观测钛/镁拉剪断口的三维轮廓

a) 27%/钛侧轮廓分布；b) 高度云图；c) 图 b 中线的粗糙度曲线；

d) 27%/镁侧轮廓分布；e) 高度云图；f) 图 e 中线的粗糙度曲线；

g) 50%/钛侧轮廓分布；h) 高度云图；i) 图 h 中线的粗糙度曲线；

j) 50%/镁侧轮廓分布；k) 高度云图；l) 图 k 中线的粗糙度曲线。

1. 钛/ 铝 / 镁复合板

结合性能：55% 压下率时，钛 - 铝界面剪切强度 83MPa，铝 - 镁界面 51MPa，双界面均达较高强度。

变形与断裂：各层变形协调，断口从脆性向韧性转变，三维轮廓高度差及粗糙度随压下率增大而增加，弯曲性能优良。

2. 钛/ 镁 / 铝复合板

变形集中于镁层，协调性差；镁- 铝界面因温度差大，结合强度低（最高 10MPa），弯曲时易分层。

3. 最优组坯顺序

对比可知，以铝为中间层的钛- 铝 - 镁组坯可实现协调变形与高结合强度，为三层复合板合理工艺。

异温轧制通过调控温度与压下率，有效改善钛、铝、镁的变形协调性，单独加热钛板或感应加热均可提高复合强度。其结合机理为机械啮合与冶金扩散双重作用，感应加热形成的洁净界面能显著提升结合性能。钛- 铝 - 镁组坯为最优方案，三层复合板在大压下率下综合性能优异。光子湾科技的超景深显微镜可对断口三维轮廓、界面微观形貌的精准观测，为解析复合机理提供关键依据，其三维成像精密测量技术，将助力高端金属复合材料研发。

 

 

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光子湾超景深显微镜

 

 

光子湾超景深显微镜用于对各种精密器件及材料表面进行亚微米级三维轮廓测量的检测仪器。与传统的光学显微镜不同，该设备拥有更大的景深、更广的视野、更高的放大倍率、更全的观测角度，足以应对各种极具挑战的观测场景。

 

超清数字成像器件，3840*2160 800W 像素超高速实时传输

多种HDR技术结合运用，实现亮区暗区真实呈现

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光子湾超景深显微镜以大景深、三位量化、无损高效的特点，可精准观测被摄物体的三维轮廓，为工艺优化提供数据支撑，是提升工艺质量从经验判断到数据驱动的关键一步。未来，光子湾科技将持续深化对超景深显微镜技术的研究与应用，不断拓展其在各领域的应用边界，为推动高端光学精密测量技术的发展提供支持。

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原文参考：《异温轧制制备钛/铝/镁复合板工艺方法和组织性能研究》

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