金屬層狀復合材料可整合單一金屬的優異性能，在航空航天、高端制造等領域應用廣泛，但鈦、鋁、鎂等異質金屬軋制復合面臨變形不協調、結合強度低等問題。本文基于異溫軋制技術，系統研究鈦 / 鋁、鈦 / 鎂雙層及鈦 / 鋁 / 鎂、鈦 / 鎂 / 鋁三層復合板的制備工藝與組織性能，結合超景深顯微鏡揭示復合機理。光子灣科技的超景深顯微鏡憑借高分辨率三維成像能力，可為復合板界面微觀形貌、斷口特征的精準觀測提供關鍵技術支持，助力深入解析工藝與性能的關聯。

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實驗內容及研究方法

三層復合板組坯方式示意圖

a)鈦/鋁/鎂復合板；b)鈦/鎂/鋁復合板

1.實驗材料

選用TA1 純鈦、AA6061 鋁合金、AZ31B 鎂合金，尺寸均為100mm×60mm×2mm，其化學成分及力學性能明確，板材表面經打磨、清洗去除氧化層。

2.軋制工藝

單獨加熱鈦板異溫軋制：電阻爐加熱鈦板至500~900℃，鋁板或鎂板室溫，壓下率 20%~50%，研究溫度與壓下率的影響。

縱向電磁感應加熱：氬氣保護，以鐵板為中間層對稱組坯，形成鈦- 鋁（或鈦 - 鎂）溫差，壓下率 17.5%~50.5%，避免氧化且控溫精準。

橫向電磁感應加熱：直接加熱鈦板，控制鈦與鋁/ 鎂溫差，鋁與鎂貼合保相近溫度，制備鈦/ 鋁 / 鎂和鈦 / 鎂 / 鋁三層復合板，壓下率20%~55%。

3.性能測試與微觀表征

采用拉剪試驗測結合強度，拉伸與彎曲試驗評估力學性能；通過超景深顯微鏡觀測斷口三維輪廓及粗糙度，SEM、EDS 分析界面元素擴散，XRD 鑒定物相。

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雙層復合板研究結果

異溫軋制結合機理示意圖

1.鈦/ 鋁復合板

變形協調性：隨鈦板溫度升高（800℃最佳）和壓下率增大（50%），鈦、鋁變形量差值減小，相對變形率比值達 0.95，實現協調變形。

結合性能：剪切強度隨壓下率提升，800℃、50% 壓下率時達 107.5MPa（接近鋁基體）；大壓下率下界面氧化層破裂，鋁擠入裂口與新鮮鈦接觸，形成機械嚙合與冶金結合雙重作用。

2.鈦/ 鎂復合板

異溫vs 同溫軋制：異溫顯著改善變形協調，25% 壓下率時鈦、鎂變形率分別為 23.4%、26.6%；同溫變形差大，界面易開裂。

結合機理：同溫以元素擴散為主，異溫因鈦層高溫變形產生裂口，鎂擠入形成機械嚙合，剪切強度最高76MPa（66% 壓下率）。

3.感應加熱優化效果

縱向感應加熱在氬氣保護下避免氧化，小壓下率（17.5%）時鈦 / 鋁剪切強度 64MPa（較電阻爐提升 5 倍）；界面潔凈促進擴散，大壓下率時斷口呈韌性特征，拉伸與彎曲性能顯著改善。

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三層復合板研究結果

超景深顯微鏡觀測鈦/鎂拉剪斷口的三維輪廓

a) 27%/鈦側輪廓分布；b) 高度云圖；c) 圖 b 中線的粗糙度曲線；

d) 27%/鎂側輪廓分布；e) 高度云圖；f) 圖 e 中線的粗糙度曲線；

g) 50%/鈦側輪廓分布；h) 高度云圖；i) 圖 h 中線的粗糙度曲線；

j) 50%/鎂側輪廓分布；k) 高度云圖；l) 圖 k 中線的粗糙度曲線。

1.鈦/ 鋁 / 鎂復合板

結合性能：55% 壓下率時，鈦 - 鋁界面剪切強度 83MPa，鋁 - 鎂界面 51MPa，雙界面均達較高強度。

變形與斷裂：各層變形協調，斷口從脆性向韌性轉變，三維輪廓高度差及粗糙度隨壓下率增大而增加，彎曲性能優良。

2.鈦/ 鎂 / 鋁復合板

變形集中于鎂層，協調性差；鎂- 鋁界面因溫度差大，結合強度低（最高 10MPa），彎曲時易分層。

3.最優組坯順序

對比可知，以鋁為中間層的鈦- 鋁 - 鎂組坯可實現協調變形與高結合強度，為三層復合板合理工藝。

異溫軋制通過調控溫度與壓下率，有效改善鈦、鋁、鎂的變形協調性，單獨加熱鈦板或感應加熱均可提高復合強度。其結合機理為機械嚙合與冶金擴散雙重作用，感應加熱形成的潔凈界面能顯著提升結合性能。鈦- 鋁 - 鎂組坯為最優方案，三層復合板在大壓下率下綜合性能優異。光子灣科技的超景深顯微鏡可對斷口三維輪廓、界面微觀形貌的精準觀測，為解析復合機理提供關鍵依據，其三維成像精密測量技術，將助力高端金屬復合材料研發。

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光子灣超景深顯微鏡

光子灣超景深顯微鏡用于對各種精密器件及材料表面進行亞微米級三維輪廓測量的檢測儀器。與傳統的光學顯微鏡不同，該設備擁有更大的景深、更廣的視野、更高的放大倍率、更全的觀測角度，足以應對各種極具挑戰的觀測場景。

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光子灣超景深顯微鏡以大景深、三位量化、無損高效的特點，可精準觀測被攝物體的三維輪廓，為工藝優化提供數據支撐，是提升工藝質量從經驗判斷到數據驅動的關鍵一步。未來，光子灣科技將持續深化對超景深顯微鏡技術的研究與應用，不斷拓展其在各領域的應用邊界，為推動高端光學精密測量技術的發展提供支持。

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原文參考：《異溫軋制制備鈦/鋁/鎂復合板工藝方法和組織性能研究》

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