钢/铝异种金属瞬间液相扩散连接接头组织与力学性能

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S355钢具有高强度、良好的低温冲击韧性及优良的焊接性能;6005A铝合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好等优点。由于钢和铝合金的化学和物理性能方面存在显著的差异,导致钢/铝的焊接性很差,严重影响了接头的性能。为了改善上述问题,本文分别采用了Al-Cu-La箔和镀Ni层/Zn箔作为中间层,来进行S355钢和6005A铝合金的瞬间液相(Transient liquid phase,TLP)扩散连接,并且研究了连接工艺参数对接头微观形貌、组织特点和力学性能的影响规律。研究得到,采用Al-Cu-La中间层时,TLP接头出现明显的分层结构,分别为Fe2Al5、Fe4Al13和Al-Cu-Fe层,其中Al-Cu-Fe层中生成了Al固溶体和Al2Cu的共晶体以及少量Fe4Al13金属间化合物。当保温时间为30min时,随着加热温度升高,接头反应愈加充分,扩散层宽度明显增加。在580°C时,接头出现了明显的晶界渗透现象,甚至形成了空洞。当加热温度为570°C,保温时间从15min增加到60min时,扩散区宽度,尤其是Fe-Al金属间化合物层宽度,显著增加。在保温时间为60min时,扩散区几乎全部由Fe-Al金属间化合物组成。在570°C和30min时,接头抗剪强度最高,为76MPa,接头断裂于Al-Cu-Fe层中。在570°C和30min时,接头抗剪强度最高,为76MPa,断裂发生在Al-Cu-Fe层中。添加Cu元素会生成(Fe,Cu)2Al5和(Fe,Cu)4Al13,可以降低Fe-Al金属间化合物的脆性,提高接头的强度。La元素的添加对抑制Fe-Al金属间化合物的形成和生长起到了一定作用。采用镀Ni层/Zn箔作中间层时,扩散区由Al-Zn固溶体层、Al-Ni层和镀Ni层组成。Al-Ni层中生成了Al3Ni和AlNi,其中AlNi化合物薄层沿着镀Ni层连续分布,宽度为2mm左右。镀Ni层完全阻止了Fe-Al金属间化合物的生成,只与少量的Fe元素进行了互溶。当加热温度升高或保温时间延长时,Al-Zn固溶体组织增多,并且Al-Zn层宽度增加;Al-Ni层中Al3Ni的生成量增加,而且组织逐渐变得粗大;镀Ni层的宽度逐渐减小。在连接条件为440°C和30min或420°C和60min时,Al-Zn层内产生了裂纹。在连接条件为420°C和30min时,接头的抗剪强度最高,为61MPa。由于Al-Zn和Al-Ni化合物之间组织形态和性能差异较大,从而对接头性能产生不利影响。接头中大部分区域沿着Al-Zn层与Al-Ni层的界面处开裂,同时在局部区域,接头断裂于Al-Ni层中,沿着AlNi化合物与Al3Ni化合物的层间开裂。
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