Fe-Al異種金屬擴(kuò)散焊界面形成機(jī)理研究.pdf

1、鋁及鋁合金具有良好的物理化學(xué)性能,不銹鋼具有高強(qiáng)度、可焊接性、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性等特點。為充分利用資源,將鋁合金與不銹鋼的優(yōu)良性能綜合在一起,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。針對鋁合金/不銹鋼焊接接頭結(jié)合面上易產(chǎn)生Fe-Al脆性金屬間化合物的問題,本研究通過對 Fe/Al擴(kuò)散焊接頭界面微觀組織和元素在界面附近的擴(kuò)散行為以及元素擴(kuò)散與形成界面過渡區(qū)之間關(guān)系的研究,進(jìn)而探討 Fe/Al擴(kuò)散焊界面反應(yīng)層形成機(jī)理。這對改善鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭性能以及

2、提高其使用價值具有重要意義。
　　利用金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)及顯微硬度計對擴(kuò)散界面附近的顯微組織結(jié)構(gòu)及擴(kuò)散區(qū)顯微硬度分布進(jìn)行試驗研究分析。結(jié)果表明,金屬間化合物厚度主要以“齒尖”的形式增長,化合物層厚度的增大具有拋物線規(guī)律;在加熱溫度560℃、保溫時間0.5h的條件下反應(yīng)區(qū)存在雙層結(jié)構(gòu);反應(yīng)層厚度隨著保溫時間的延長而增大,當(dāng)保溫時間達(dá)到一定值時,反應(yīng)層厚度不再增加;Al側(cè)過渡區(qū)組織較為松散,附近存在明顯的顯微空洞,當(dāng)加熱溫

3、度高、保溫時間較長時,在Al基體側(cè)過渡層會出現(xiàn)裂紋;擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)顯微硬度(范圍為626～1078HV)明顯存在三個不同的硬度分布區(qū)。
　　利用EDS、XRD對擴(kuò)散界面附近元素分布及微觀相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,界面Fe、Al元素均存在明顯的三段不同的濃度分布區(qū)域,元素濃度均從母材向界面過渡區(qū)逐漸減小,擴(kuò)散反應(yīng)層中Al的含量大于Fe的含量;Fe/Al擴(kuò)散焊接頭界面區(qū)生成了FeAl3、Fe2Al5、FeAl、FeAl2等脆性金屬間化合

4、物,靠近Al側(cè),Fe2Al5化合物層厚度最寬,其次是FeAl3,靠近Fe側(cè)有少量的FeAl和FeAl2。
　　界面過渡區(qū)相結(jié)構(gòu)形成模型說明了Fe/Al界面反應(yīng)層的形成分為四個階段。Al側(cè)首先生成了FeAl化合物,Fe側(cè)界面生成了不穩(wěn)定的FeAlx,最后出現(xiàn)了FeAl3、Fe2Al5、FeAl及FeAl2。其生長速度νFeAl2<νFeAl<νFeAl3<νFe2Al5　　利用Boltzmann-Matano數(shù)

5、值分析方法建立 Fe/Al擴(kuò)散焊接頭界面過渡區(qū) Fe、Al元素的D C?關(guān)系方程,通過計算在界面過渡區(qū)各相層中Fe、Al元素的擴(kuò)散系數(shù),結(jié)果表明,隨加熱溫度和濃度的增加,Fe、Al元素的擴(kuò)散系數(shù)均增大,Fe元素自擴(kuò)散能力比Al弱。結(jié)合擴(kuò)散系數(shù)并解誤差函數(shù),獲得界面過渡區(qū)元素的反應(yīng)擴(kuò)散方程,結(jié)果表明,各相層寬度的理論值均比實測值稍大,通過Al元素計算得出的過渡區(qū)寬度與實測值更貼近。各相層在 Fe/Al擴(kuò)散焊接頭界面過渡區(qū)中的寬度與保溫時間