铝合金_不锈钢异种金属钎焊材料及钎焊接头性能研究

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1、中图分类号：TG425.2论文编号：102870616-B022学科分类号：080503博士学位论文铝合金/不锈钢异种金属钎焊材料及钎焊接头性能研究研究生姓名杨金龙学科、专业材料加工工程研究方向焊接新材料设计与制备指导教师薛松柏教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一七年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyDevelopmen

2、tofFillerMetalsandResearchonJointPropertiesforBrazingAluminumtoStainlessSteelAThesisinMaterialsProcessingEngineeringbyYangJinlongAdvisedbyProf.XueSongbaiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringJanuary,2017承诺书本人声明所呈交

3、的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名:日期:南京航空航天大学博士学位论文摘要铝/钢异种金属焊接可以充分发挥铝合金与不锈钢材料各自的优势，提高结构强度

4、，减轻结构重量，在许多重要装备的制造中具有广阔的应用前景，如何获得高效、可靠的铝/钢焊接接头已经成为焊接领域的研究热点。铝/钢的钎焊可以有效地控制界面金属间化合物的形成，是获得高质量接头的一种可靠方法。本论文选择Zn-Al系钎料用于6061铝合金与304不锈钢的钎焊，探究了钎剂对铝合金和不锈钢母材表面氧化膜的去除机理，研究了钎料在母材表面润湿铺展性能的影响因素以及钎料的润湿铺展动力学过程；通过调整Zn-Al钎料中主体元素Al的成分并添加微量元素Zr，研究了主体元素及微量元素含量变化对Zn-Al钎料焊接性

5、、接头组织及性能以及钎焊接头可靠性的影响。采用润湿铺展试验和热台原位加热法，研究了铝/钢异种金属钎焊用钎料的润湿铺展机理。研究发现钎剂对6061铝合金表面氧化膜的去除可以概括为反应溶解机制作用的结果。钎剂对304不锈钢表面氧化膜的去除作用可以概括为：钎剂与不锈钢表面的MnO反应，使得母材表面的氧化膜出现破隙。液态钎料中的Al元素从氧化膜的破隙渗入膜下与Fe原子反应形成Fe-Al化合物撑破氧化膜，通过液态钎料的流动推开氧化膜。随着润湿铺展试验温度的提高，液态钎料与气体和母材的界面张力均不断减小，钎料的润湿

6、能力提高；随着钎料中Al含量增加，钎料在不锈钢母材上的润湿性能下降。对于非反应型的Zn-Al钎料/铝合金体系润湿铺展过程，母材表面粗糙度因子越大，钎料的铺展面积越大，润湿铺展效果越好。对于反应型的Zn-Al钎料/不锈钢体系润湿铺展过程，由于固液界面发生强烈的反应生成金属间化合物，母材表面的细槽被液态钎料溶解而失去作用，从而降低了表面粗糙度对钎料润湿铺展性能的影响。Zn-Al钎料在不锈钢表面的润湿铺展过程可以分为3个阶段：初始阶段、快速铺展阶段、稳定平衡阶段。第二阶段驱动力主要由液态钎料与母材界面的化学反

7、应控制，化学反应越剧烈，钎料在这一阶段的铺展速度越快。钎料在快速润湿铺展阶段的动力学过程可以用Washburn模型来表示，润湿铺展等效半径与时间之间的关系：rn~t，n=~0.4。研究了Zn-Al钎料中主体元素Al的含量（Zn-2Al、Zn-5Al、Zn-15Al、Zn-22Al、Zn-25Al共五种钎料）对铝/钢钎焊接头性能的影响。研究发现，使用Zn-15Al钎料的铝合金/不锈钢钎焊接头可获得最大的抗剪切强度131MPa。钎焊接头的中性盐雾试验结果表明，钎料中Al元素含量的增加可以增强钎缝的耐腐蚀性能

8、，提高钎焊接头强度保持水平。当钎料中Al元素含量较低时（Zn-2Al钎料），不锈钢侧界面由富锌相层和θ-Fe4Al13相组成；随着钎料中Al元素含量的增加，富锌相层消失，界面化合物层由θ-Fe4Al13相组成，其厚度随着钎料中Al含量的增加而增I铝合金/不锈钢异种金属钎焊材料及钎焊接头性能研究大。钎焊接头在钎料与不锈钢的界面区域出现明显的应力集中现象，接头断口为典型的脆性断裂，断裂位置主要发生在不锈钢与钎缝的金属间化合物层界面。研究了微量Z