钢背/Cu-Pb-Sn双金属复层材料难混溶Pb相调控及界面复合研究

Steel/Cu-Pb-Sn bushings are the critical component to fabricate diesel engine with heavy load and high power, and are widely used in the military fields such as ships, armored cars and tanks. However, the fundamental research and fabrication level of our country are far lower than the developed level of the world. The advanced bushings are mainly depended on the import from Austria and Germany. The critical problem is that the control of Pb morphology and distribution is difficult and interface bonding is limited during steel/Cu-Pb-Sn preparation process. Hence, the project takes the high quality steel/Cu-Pb-Sn bimetallic materials as the investigated object, and uses synchrotron radiation of high-energy ray to study the solute transfer behavior and phase separation of Pb phase. The critical role of Pb phase morphology and distribution will be clarified. The formation of Pb segregation during ternary Cu-Pb-Sn alloys solidification will be revealed. Based on the above work, the project utilizes horizontal continuous solid/liquid bonding technology to prepare the high quality steel/Cu-Pb-Sn bimetallic materials with good interface bonding and Pb phase morphology. The project has an important scientific meaning and application value to the steel/Cu-Pb-Sn bushings development of our country.

钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦是重载高速高功率柴油发动机关键部件，在舰船及陆军装备等军工领域获得广泛应用。然而我国钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦基础研究和制备技术远落后国际先进水平，高品质轴瓦全部依赖奥地利以及德国进口，其主要瓶颈是钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦制备过程中难混溶铅相分布形貌控制困难及界面难以复合。鉴于此，本项目以制备高品质钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦复合材料为研究对象，利用高能射线同步辐射技术实时表征研究不同条件下Cu-Pb-Sn合金凝固过程中两相分离过程及富Pb相形态演变，把握影响及控制Pb相分离及微观偏析过程中温度场/流场的关键作用，揭示物理外场及冷却速度对Pb相形成分布及界面形成的作用机理。在此基础上，采用水平连续固/液复合技术制备冶金结合的钢背/铅青铜复合材料，以期获得界面结合良好的双金属复合材料，该项目的顺利实施对我国钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦复合材料制备具有积极的科学意义。

钢背/Cu-Pb-Sn轴瓦是重载高速高功率柴油发动机关键部件,目前国内该类型轴瓦完全依赖进口，其主要原因是偏晶合金Cu-Pb-Sn合金中的富Pb第二相受到成分起伏、温度梯度、凝固前沿迁移等因素影响而呈现出不同的尺寸和形貌分布，严重影响合金的性能。同时，异种金属间的界面结合也极大地限制了国内自主研发异质材料轴瓦的脚步。在本研究中，首先通过热力学及动力学计算，从理论上获得了Cu-Pb-Sn合金的最优成分配比，并揭示了凝固过程中影响富Pb相形貌及分布的内外因素。通过浇铸和同步辐射试验并借助相场模拟和相图计算的方法研究了不同浇铸温度和冷却速度对Cu-Pb-Sn合金凝固过程的影响，进一步阐明了温度梯度和凝固前沿迁移对晶核生长的作用机制。使用水平连续固/液复合的方法制备了钢背/Cu-Pb-Sn合金双金属层状复合材料，并研究了复合材料的微观组织结构、界面结合机制、力学及摩擦学性能。结果表明，Sn含量为2wt.%至6wt.%是Cu-24Pb-xSn合金最理想的成分配比，此时富Pb相以直径约为数微米的弥散球棒状的形式均匀分布于基体中。这是由于Sn扩大了富Cu基体液相、富Pb第二相液滴及α-Cu固相组成的三相共存相区的温度区间，从而抑制了富Pb相的偏聚。钢背/Cu-Pb-Sn合金的结合机制是冶金结合，在高温的Cu-Pb-Sn合金液与钢背之间发生了元素扩散并形成了约1μm的扩散层，同时实现了钢背与Cu-Pb-Sn合金之间的完全连续结合，没有形成元素偏析和缺陷。力学及摩擦学试验结果表明随着Sn含量的增加，材料硬度、强度和延伸率同时提高，同时平均摩擦系数和表面波动程度显著降低。这是由于原本网状或团聚的软质富Pb相严重割裂基体，降低了合金的整体强度及硬度。本研究实现了钢背/Cu-Pb-Sn合金轴瓦材料的完全自主制备，并对其他钢背/偏晶合金复合材料的制备具有重要指导意义。