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《大连理工大学》 2010年
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镁合金AZ31/铝合金6061异种金属接触反应钎焊研究

赵丽敏  
【摘要】: 镁合金作为最轻的工程结构材料具有密度低、比强度高、电磁屏蔽性好和易回收等一系列优点,被称为二十一世纪的绿色工程材料,具有巨大的市场应用潜力。镁合金的广泛使用离不开连接技术的支持,特别是镁合金和铝合金的焊接结构,既能实现进一步减轻构件重量的要求,还能发挥两种金属不同的使用性能,在航空、航天和汽车制造等领域应用前景广阔。但镁、铝之间极易形成大量脆性的金属间化合物相,恶化接头性能,采用传统的焊接方法难以获得良好的接头性能。接触反应钎焊是实现异种金属连接的有效办法,该方法可以根据不同基体材料特点选择合适的中间层成分和结构,最大限度地避免直接连接时有害组织的出现,有效地改善接头性能。 本论文针对AZ31镁合金和6061铝合金的连接,分别研究AZ31/6061直接的和填加不同成分中间层的接触反应钎焊。对比不同工艺条件下接头微观组织、相成分及力学性能的实验观察和测量结果,探讨接头显微组织形成过程和接头力学性能改善机理。 对AZ31/6061进行直接接触反应钎焊,同时考察平均加热速度对接头组织和性能的影响。实验发现,在所获得接头中Mg17Al12等脆性相的存在成为接头的薄弱环节,使用中等加热速度110℃/min时接头性能最优,剪切强度为41.3MPa. AZ31/6061直接接触反应钎焊时,接头中大量脆性相的生成不可避免,致使接头性能不理想。 研究填加中间层的AZ31/6061接触反应钎焊,包括采用热浸镀方法制备纯锌、Zn-5Al和Zn-8A1金属中间层,以及在Zn-Al中间层基础中添加少量其他合金元素的方法。根据实验结果,当使用共晶成分的Zn-5A1中间层,经过加热温度365℃、保温3s工艺连接后,接头力学性能达到最优,剪切强度86.1MPa,断口呈塑性断裂特征。对于采用Zn-Al-Ce中间层进行AZ31/6061接触反应钎焊,在加热温度360℃、保温3s时,通过中间层中Ce元素的弥散分布实现了接头中金属间化合物的弥散分布,可以有效控制固态扩散中所形成金属间化合物层的厚度,也可获得较好的接头性能。 参考接头成分分布、组织特点和连接工艺条件,建立具有最佳性能的AZ31/Zn-5Al/6061接头进行接触反应钎焊过程的物理模型,阐述接头组织在加热、保温等阶段的详细演变过程。根据我们的模型,接头在加热保温过程中,共晶液相首先出现于Zn-5A1中间层靠近AZ31基体侧,随后AZ31基体开始生成液相,此时存在两种不同成分的液相,它们各自向两侧扩展,同时发生元素互扩散。Zn-5Al中间层的共晶组织熔化十分迅速,其中弥散分布的铝基固溶体颗粒相将随之发生溶解,颗粒尺寸逐步减小。根据力学性能测量结果,当接头组织中保留有大小均匀、数量众多的铝基固溶体颗粒,且弥散分布在MgZn2金属间化合物脆性相中时,接头的剪切强度达到最优,该组织特征对应于两种液相开始进行互扩散的初期,因此需要运用短时保温和强制冷却工艺来获得。对于这种复相组织表现出的良好剪切强度,我们认为MgZn2中运动位错与铝基固溶体颗粒相之间的引力型相互作用产生强化作用。此外,数量众多的铝基固溶体颗粒相可以有效增加液相凝固时的形核质点数量,细化接头组织,改善接头的塑韧性。另外,随着保温时间的延长,Zn-5Al中间层原始组织中的铝基固溶体颗粒溶解殆尽,同时液相溶解的Mg元素将不断地向6061铝合金基体进行扩散,造成接头性能下降。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG454

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