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Mg/Al活性异种金属焊接界面微观结构及元素扩散的研究

刘鹏  
【摘要】:镁具有低密度、高比强度及可再回收利用等优点,成为工程结构材料领域关注的焦点,但焊接过程中易形成脆性相、裂纹、气孔等缺陷,并且还存在热影响区过宽及焊后变形等。因此,焊接问题成为阻碍镁及镁合金应用的关键。 为了推进镁合金的应用,本文采用固相扩散焊和钨极氩弧焊对Mg与Al异种金属进行了焊接试验研究。在接头组织结构观察、分析及接头性能测试的基础上,研究Mg/Al异种金属接头组织结构与性能的关系。通过对Mg/Al扩散焊界面微观组织结构和界面附近元素的扩散行为进行分析,寻求界面过渡区的形成与元素扩散之间的规律。 利用金相显微镜和扫描电镜(SEM)对Mg/Al异种金属接头焊接区的组织结构及性能进行了分析。扩散焊界面过渡区主要由Mg侧过渡层、中间扩散层及Al侧过渡层组成,两过渡层的显微硬度为HM200~350,中间扩散层的显微硬度为HM125~150。扩散焊接头剪切试验结果表明,加热温度在470~490℃,保温时间在60~120min,压力小于0.1MPa,可获得结合良好的Mg/Al扩散焊接头。加热温度475℃时,扩散焊接头界面的最大剪切强度为18.94MPa,约为Al母材强度的40%。TIG焊接头熔合区由熔化结晶区和半熔化结晶区构成,熔化结晶区主要由粗大柱状晶和等轴树枝晶组成,半熔化结晶区主要由未结晶组织和柱状树枝结晶组织组成。 采用电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)对Mg/Al异种金属接头焊接区的形成及微观相结构进行了分析。结果表明,扩散焊界面过渡区中形成的相主要是Mg_(17)Al_(12)、MgAl和Mg_2Al_3,从Mg侧向Al侧依次由Mg_(17)Al_(12)→MgAl→Mg_2Al_3构成。Mg_(17)Al_(12)相主要以团块状和弥散形式存在于Mg基体上,弥散分布的Mg_(17)Al_(12)相与密排六方的Mg基体组成多晶环结构。TIG焊接头Mg侧熔合区附近存在Mg_(17)Al_(12)和Mg_2Al_3相,以及少量的Al_4Si相。 Mg/Al扩散焊界面过渡区的形成主要经过四个阶段,其生成相的形成顺序依次为:MgAl→Mg_(17)Al_(12)→Mg_2Al_3,反应生成物的形成速度为V_(Mg_2Al_3)<V_(Mg_(17)Al_(12))<V_(MgAl)。随着加热温度的提高,MgAl相的生长速度逐渐减小,而Mg_2Al_3和Mg_(17)Al_(12)相的生长速度逐渐增大,当加热温度480℃时,界面过渡区各新相生长速度为


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