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《江苏大学》 2011年
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铝合金与不锈钢低温扩散焊及界面主组元扩散行为研究

吴铭方  
【摘要】:铝合金具有比强度大、比刚度高、重量轻、耐腐蚀等特性,不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀等优点,实现铝合金与不锈钢的可靠连接在航空航天、汽车、化工等领域具有非常广泛的应用前景。由于Al与Fe的晶体结构、物理及化学性质相差悬殊,造成铝合金与不锈钢的焊接性很差。集中体现在铝合金表面极易形成稳定而致密的氧化膜,破坏了接头的连续性和整体性;连接界面易生成脆性金属间化合物,降低了接头的连接效果。因此,实现铝合金与不锈钢的可靠连接,一直是焊接界关注的焦点。 本文结合国内外关于铝合金与不锈钢焊接的研究现状,以镀Cu层、镀Ag层,Al-Si合金箔作为中间反应材料,对6063铝合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行低温扩散焊接试验研究,借助光学显微镜、SEM、EPMA、XRD等分析测试手段,对连接过程的润湿铺展行为、晶界渗透现象、接头微观组织与结构等进行分析,测试接头力学性能,优化焊接工艺参数。在此基础上,以纯Al/纯Fe作为扩散偶,在不同温度和保温时间条件下进行扩散试验,重点研究Al原子与Fe原子的扩散行为,探讨界面反应层生长机制,建立界面过渡区Al元素、Fe元素扩散浓度分布方程。 对于6063铝合金/镀Cu层/1Cr18Ni9Ti不锈钢低温扩散焊,Al-Cu共晶液相对6063铝合金基体具有较好的润湿性,润湿角小于10度,是反应润湿和铺展润湿共同作用的结果;焊接接头组织结构为6063铝合金/Fe2Al5、Fe3Al/AlCu、AlCu4/Al固溶体与Al-Cu化合物构成的共晶组织/1Cr18Ni9Ti不锈钢,增加低温扩散加热温度或延长保温时间,金属间化合物层厚度增大,焊缝区域共晶组织量逐渐减小;计算表明Al-Cu共晶液相沿6063铝合金晶界渗透速度为1.3297×10-8m/s;中间反应层Cu的溶解速度非常迅速,是以秒为计数单位的快速过程;在二次加热温度510℃、保温时间30min、镀Cu层厚度10μm条件下,接头强度达到最大值约83MPa。 对于6063铝合金/镀Ag层/1Cr18Ni9Ti不锈钢低温扩散焊,焊接接头组织结构为6063铝合金/富Ag相/Al(Ag)固溶体和Ag-Al化合物/Ag-Al化合物/Fe-Al化合物/1Cr18Ni9Ti不锈钢;由于Al原子扩散路径的缘故,Fe-Al金属间化合物的产生具有延迟特性;镀Ni层具有良好的阻隔效应,可以有效控制界面生成Fe-Al金属间化合物;低温扩散焊与接触反应钎焊相比,Fe-Al金属间化合物的生长速度较慢,焊接过程较易控制;界面反应层厚度与保温时间平方根成正比,其生长激活能为162.39KJ/mol;Ag具有优先沿6063铝合金晶界扩散的特性,从而造成6063铝合金基体晶界液化。 对于6063铝合金/Al-Si/1Cr18Ni9Ti不锈钢低温扩散焊,保温时间对Al-Si共晶液相在6063铝合金基体上的润湿性影响较小,而对1Cr18Ni9Ti不锈钢的润湿性影响较大;低温扩散加热温度越高,保温时间越长,焊缝区域的共晶组织量减少,初生Si及共晶Si出现长大现象,界面生成的Fe-Al金属间化合物厚度明显增厚,甚至产生显微裂纹;焊接接头强度普遍较低,界面生成的Fe-Al金属间化合物、Al-Si共晶液相因等温凝固造成对基体表面润湿和铺展性下降、焊缝中形成大块状脆性初生Si相是制约焊接接头强度的关键因素。 对于Fe/Al界面反应层生长机理和元素扩散数值分析,采用Boltzmann-Matano分析方法确定Fe/Al扩散焊界面过渡区元素的D-C关系方程,计算Fe、Al元素在界面过渡区各相层中的扩散系数。计算结果表明,Fe、Al元素的扩散系数均随加热温度和浓度的增加而增大,Al元素的扩散能力比Fe元素的扩散能力强。结合扩散系数和误差函数解建立了界面过渡区元素的反应扩散方程,模拟计算了Fe元素与Al元素在Fe3Al和AlCu4金属间化合物中的浓度分布,并与EPMA实测结果进行了比较,两者基本吻合,作为对Fe元素与Al元素扩散行为的初步分析具有一定的参考价值。 本研究的主要成果和创新点为:通过插入特定中间层,实现6063铝合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的低温扩散连接,有利于材料表面氧化膜破碎和清除,降低对连接表面加工精度要求,显著缩短扩散焊时间;揭示了晶界渗透的产生规律;分析了界面金属间化合物的产生机理,提出生成Fe-Al与Ag-Al金属间化合物相比具有延迟特性,探讨了镀Ni层对控制Fe-Al金属间化合物的阻隔效应;基于菲克扩散定律建立了界面过渡区Al元素、Fe元素的浓度分布方程,从而为预测界面Fe-Al脆性金属间化合物的形成,进而对其进行实时控制提供了试验和理论分析的依据。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG401

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