山东大学博士学位论文-Fe3Al异种材料扩散焊界面微观结构及扩散机制研究

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1、山东大学博士学位论文Fe3Al异种材料扩散焊界面微观结构及扩散机制研究山东大学博士学位论文作者姓名：王娟专业：材料加工工程指导教师：李亚江教授报告内容1.选题目的、意义及研究内容2.试验材料及研究方法3.界面过渡区的组织特征4.扩散焊界面强度5.界面附近的微观组织结构6.界面元素的扩散分布7.结论1.选题目的、意义及研究内容◆Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al系三大金属间化合物领域中，Fe3Al金属间化合物成本低，应用更广泛☆选题目的、意义◆实现Fe3Al与碳钢、不锈钢的焊接，能够推动Fe3Al在抗氧化、耐腐蚀等工程结构中的应用◆具有

2、重大潜在的使用价值，对经济建设和国防建设具有重要的科学意义和应用前景。☆解决的关键问题◆Fe3Al脆性大，与Q235、18-8钢之间成分及热物理性能差别大，界面处易产生裂纹，焊接难度大◆Fe3Al/Q235及Fe3Al/18-8扩散焊界面较窄，形成的相结构复杂，接头强度是否能满足使用要求◆界面附近元素的扩散行为是高温下连续动态扩散过程，研究元素扩散有助于分析界面相结构的形成，对提高界面强度具有重要的意义针对Fe3Al/Q235以及Fe3Al/18-8扩散焊◆界面过渡区的组织特征◆界面剪切强度◆界面附近微观相结构◆界面元素的扩散分布◆界

3、面过渡区的形成及生长规律☆研究内容2.试验材料及研究方法Fe3Al金属间化合物(真空感应熔炼、经1000均匀化退火)Q235碳钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢(18-8钢)☆试验材料☆扩散焊设备及工艺图2.1试验用WorkhorseⅡ型真空扩散焊设备及试样装配FixedramMovableramMicaTemperaturecontrollerSamplesHeaterelementThermo-couple工艺参数范围：加热温度T＝980~1080℃，保温时间t＝15~80min，焊接压力P＝10~17.5MPa，真空度1.33×10

4、-4~1.33×10-5Pa。图2.2扩散焊的典型工艺参数曲线◆LYS压力试验机（剪切强度）◆SEM,XQF-2000,XRD,TEM（微观组织结构）◆Shimadzu显微硬度计（显微硬度）◆EPMA（元素浓度分布）◆Fick第二定律，增加初始和边界条件（建立元素扩散分析方程）☆试验及研究方法(a)Fe3AlQ235(a)100×(b)400×图3.1Fe3Al/Q235扩散焊界面附近的组织特征(SEM)Q235(b)3.扩散焊界面组织特征Fe3Al18-83m(b)(a)Fe3Al18-825mABC混合过渡区近Fe3Al侧过渡

5、区Fe3Al扩散焊界面过渡区Q235(或18-8)原始接触面近Q235(或18-8)侧过渡区(a)扩散反应层(b)组织特征图3.2Fe3Al/18-8界面附近的显微组织特征(SEM)图3.3Fe3Al异种材料扩散焊界面过渡区的划分(a)Fe3AlQ235(b)Q235Fe3Al(a)1060℃×30min,P=10MPa(b)1060℃×60min,P=12MPaQ235(d)10mFe3AlTransitionzone(c)Fe3AlQ23510mTransitionzone(c)1020℃×60min,P=10MPa(d)10

6、60℃×60min,P=12MPa图3.4Fe3Al/Q235界面过渡区的显微组织(SEM)图3.5Fe3Al/18-8界面过渡区的显微组织(SEM)(a)1020℃×60min,P=17.5MPa(b)1040℃×30min,P=17.5MPa(c)1040℃×60min,P=15MPa(d)1060℃×60min,P=15MPa(d)Fe3Al18-88mTransitionzone(c)Fe3Al18-810mTransitionzone(b)Fe3Al18-810mTransitionzone(a)Fe3Al18-810

7、mTransitionzone(a)Fe3Al/Q235(b)Fe3Al/18-8图4.1试样尺寸图4.2剪切强度试验自制工装示意图4.扩散焊界面剪切强度☆Fe3Al/Q235扩散焊界面加热温度1060℃左右，保温45~60min，压力12~15MPa时，能够获得界面结合良好、剪切强度较高的Fe3Al/Q235扩散焊接头☆Fe3Al/18-8扩散焊界面(a)加热温度图4.3加热温度和保温时间对界面剪切强度的影响加热温度控制在1040℃左右，保温时间45~60min、焊接压力12~15MPa。能够获得界面结合良好、剪切强度较高的Fe3

8、Al/18-8扩散焊接头。(b)保温时间☆剪切断口形貌12.5m(a)10m(b)(a)脆性断裂(b)解理台阶图4.4Fe3Al金属间化合物的室温断口形貌(SEM)12.5m(e)100m(b)(d15m(a)