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1、Fe3Al異種材料擴散焊界面微觀結(jié)構(gòu)及擴散機制研究,山東大學博士學位論文,作者姓名： 王 娟 專 業(yè)：材料加工工程 指導教師： 李亞江 教授,報 告 內(nèi) 容,1. 選題目的、意義及研究內(nèi)容 2. 試驗材料及研究方法 3. 界面過渡區(qū)的組織特征 4. 擴散焊界面強度 5. 界面附近的微觀組織結(jié)構(gòu) 6. 界面元素的擴散分布 7. 結(jié) 論,1. 選題目的、意義及研究內(nèi)容, Ni-Al、 Ti-Al、Fe-Al系三大金屬間化合物領域中，F(xiàn)e3Al金屬間化合物成本低，應用更廣泛, 選題目的、意義, 實現(xiàn)Fe3Al與碳鋼、不銹鋼的焊接，能夠推動Fe3Al在抗氧化、耐腐蝕等工程結(jié)構(gòu)中的應用,具有重大潛在

2、的使用價值，對經(jīng)濟建設和國防建設具有重要的科學意義和應用前景。,, 解決的關鍵問題, Fe3Al脆性大，與Q235、18-8鋼之間成分及熱物理性能差別大，界面處易產(chǎn)生裂紋，焊接難度大, Fe3Al/Q235及 Fe3Al/18-8擴散焊界面較窄，形成的相結(jié)構(gòu)復雜，接頭強度是否能滿足使用要求, 界面附近元素的擴散行為是高溫下連續(xù)動態(tài)擴散過程，研究元素擴散有助于分析界面相結(jié)構(gòu)的形成，對提高界面強度具有重要的意義,針對Fe3Al/Q235以及Fe3Al/18-8擴散焊 界面過渡區(qū)的組織特征 界面剪切強度 界面附近微觀相結(jié)構(gòu) 界面元素的擴散分布 界面過渡區(qū)的形成及生長規(guī)律,, 研究內(nèi)容,2. 試驗材料

3、及研究方法,Fe3Al金屬間化合物(真空感應熔煉、經(jīng)1000均勻化退火) Q235碳鋼和1Cr18Ni9Ti不銹鋼(18-8鋼), 試驗材料,, 擴散焊設備及工藝,圖2.1 試驗用Workhorse型真空擴散焊設備及試樣裝配,工藝參數(shù)范圍： 加熱溫度T9801080，保溫時間t1580min，焊接壓力P1017.5MPa，真空度1.3310-4 1.33 10-5Pa。,圖2.2 擴散焊的典型工藝參數(shù)曲線,,, LYS壓力試驗機（剪切強度） SEM, XQF-2000, XRD, TEM（微觀組織結(jié)構(gòu)） Shimadzu 顯微硬度計（顯微硬度） EPMA （元素濃度分布） Fick第二

4、定律，增加初始和邊界條件 （建立元素擴散分析方程）, 試驗及研究方法,(a) 100 (b) 400 圖3.1 Fe3Al/Q235擴散焊界面附近的組織特征 (SEM),3. 擴散焊界面組織特征,(a) 擴散反應層 (b) 組織特征 圖3.2 Fe3Al/18-8界面附近的顯微組織特征 (SEM),圖3.3 Fe3Al異種材料擴散焊界面過渡區(qū)的劃分,,(a) 106030min, P=10MPa (b) 106060min, P=12MPa,(c) 102060min, P=10MPa (d) 106060min, P=12MPa 圖3.4

5、Fe3Al/Q235界面過渡區(qū)的顯微組織 (SEM),,圖3.5 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)的顯微組織 (SEM),(a) 102060min, P=17.5MPa (b) 104030min, P=17.5MPa,(c) 104060min, P=15MPa (d) 106060min, P=15MPa,,(a) Fe3Al/Q235 (b) Fe3Al/18-8 圖4.1 試樣尺寸,圖4.2 剪切強度試驗自制工裝示意圖,4. 擴散焊界面剪切強度,, Fe3Al/Q235擴散焊界面,,加熱溫度1060左右，保溫4560min，壓力1215MPa時，能夠獲

6、得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/Q235擴散焊接頭, Fe3Al/18-8擴散焊界面,,,(a) 加熱溫度,圖4.3 加熱溫度和保溫時間對界面剪切強度的影響,加熱溫度控制在1040左右，保溫時間4560 min、焊接壓力1215MPa。能夠獲得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/18-8擴散焊接頭。,(b) 保溫時間,,,, 剪切斷口形貌,(a) 脆性斷裂 (b) 解理臺階 圖4.4 Fe3Al金屬間化合物 的室溫斷口形貌 (SEM),,(a) 脆性斷裂 (b) 解理斷裂 (c) 能譜分析 (d) 河流條紋(e) 準解理斷裂 (f) 能譜分析 圖3.5

7、Fe3Al異種材料擴散焊界面的剪切斷口形貌 (SEM),界面剪切斷口形貌較多為解理斷裂和準解理斷裂，有少量的韌性斷裂特征。能譜分析表明斷裂主要發(fā)生在過渡區(qū)靠近Fe3Al一側(cè),,(a) 測試位置 (b) 顯微硬度 圖5.1 Fe3Al/Q235界面過渡區(qū)的顯微硬度分布, 界面過渡區(qū)顯微硬度,,,106060min, P=15MPa時界面過渡區(qū)顯微硬度峰值HM520，小于FeAl、FeAl2等脆性金屬間化合物的顯微硬度,5. 擴散焊界面微觀組織結(jié)構(gòu),(a) 測試位置 (b) 100060min,圖5.2 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)的顯微硬度分布,(c)

8、104060min (d) 106060min,,,1040 60min, P=15MPa時過渡區(qū)顯微硬度值HM500,,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) C 圖5.3 Fe3Al/Q235界面過渡區(qū)元素的分布 (EPMA),,界面過渡區(qū)元素擴散分布,(a) T=1000 (b) T=1040 圖5.4 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)Cr、C元素的分布 (EPMA),,,,,,(a) 測試位置 (b) Al (c) Fe (d) Ni 圖5.5 Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)Al、Fe、Ni元素的分布(EPMA),,,,,(

9、a) 界面近 Fe3Al 側(cè) (b) 界面近Q235 側(cè) 圖5.6 Fe3Al/Q235界面相結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖 (XRD), 界面XRD相結(jié)構(gòu)分析,,界面附近主要形成Fe3Al、-Fe (Al)固溶體(FeAl相極少), 相結(jié)構(gòu) 排列從有序超點陣FeAl、Fe3Al過渡到-Fe(Al)固溶體，有利 于改善和提高擴散焊界面的組織結(jié)構(gòu)和韌性,(a) 界面近Fe3Al側(cè) (b) 界面近18-8側(cè) 圖5.7 Fe3Al/18-8界面相結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖 (XRD),,,加熱溫度由1020升高到1060時，F(xiàn)e3Al/18-8擴散焊界面形成的 相結(jié)構(gòu)的變化規(guī)

10、律為：(FeAl2+Fe2Al5+ -Fe(Al)) (Fe3Al+FeAl+ -Fe(Al)Ni3Al)(Fe3Al+ -Fe (Al)+Ni3Al+Cr2Al),(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.8 界面精細結(jié)構(gòu)特征 (TEM), Fe3Al/Q235界面TEM觀察,,,(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.9 界面Fe3Al與-Fe(Al)的精細結(jié)構(gòu) (TEM),,界面過渡區(qū)Fe3Al具有典型的超點陣結(jié)構(gòu)，由許多位錯胞壁組成,(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果

11、 圖5.10 界面過渡區(qū)的Fe3Al精細結(jié)構(gòu) (TEM), Fe3Al/18-8界面TEM觀察,,(a) TEM 形貌 (b) 電子衍射花樣 (c) 指數(shù)標定結(jié)果 圖5.11 界面析出相和-Fe(Al)固溶體的精細結(jié)構(gòu)(TEM),-Fe(Al)固溶體與少量Fe3C之間存在 (002)-Fe(Al)(130)Fe3C的晶體學位向關系,Fe3Al/18-8界面,圖6.1 求解元素擴散分布方程的坐標系, 界面元素的擴散方程,6. 界面元素的擴散,圖6.2 Fe3Al/Q235界面元素分布 計算值與實測值(EPMA)比較,,(a) 計算結(jié)果 (b) EPMA 圖6.

12、3 Fe3Al/18-8擴散焊界面元素分布計算與實測值比較,,,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 圖6.4 加熱溫度對Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)元素分布的影響,(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 圖6.5 保溫時間對Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)元素分布的影響,隨T的升高及t的延長，元素擴散距離增加 ，但當超過T1060 , t60min，元素擴散不再發(fā)生明顯變化,(a) Al (b) Fe 圖6.6 Fe3Al/Q235界面元素擴散距離與保溫時間的關系, 界面過渡區(qū)生長規(guī)律,(a) Al (b) Fe

13、 (c) Cr (d) Ni 圖6.7 Fe3Al/18-8界面元素擴散距離與保溫時間的關系,,(a) Fe3Al/Q235 (b) Fe3Al/18-8 圖6.8 界面過渡區(qū)元素擴散系數(shù)與溫度的關系,,,界面過渡區(qū)寬度的計算,Fe3Al/Q235擴散焊界面過渡區(qū)寬度的表達式：,Fe3Al/18-8擴散焊界面過渡區(qū)寬度的表達式：,式中：x界面過渡區(qū)寬度，m； R常數(shù)，8.314 JK/mol； T加熱溫度，K； t保溫時間，s。,7. 結(jié) 論, 采用真空擴散焊并嚴格控制工藝參數(shù)（T=10401060，t=4560min，P=1215MPa），能夠

14、獲得界面結(jié)合良好、剪切強度較高的Fe3Al/Q235及 Fe3Al/18-8擴散焊接頭。(專利申請?zhí)?00410023495.6), Fe3Al/Q235及Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)分別由(FeAl+Fe3Al+-Fe(Al))和(FeAl+Fe3Al+-Fe(Al)+Ni3Al)構(gòu)成，沒有高硬度脆性相，具有較好的韌性。, 提出Fe3Al/Q235(或18-8)異種材料擴散焊界面過渡區(qū)的劃分，該區(qū)域由混合過渡區(qū)和兩側(cè)的兩個過渡區(qū)組成。Fe3Al 異種材料擴散焊界面具有明顯的擴散特征，組織結(jié)構(gòu)之間相互交錯。, 通過界面元素擴散方程，計算界面Al, Fe, Cr, Ni元素分布, 計算結(jié)果與EPMA實測值基本吻合。Fe3Al/Q235及Fe3Al/18-8界面過渡區(qū)寬度 x2= 4.8 104exp(-133.02/RT)(t-t0) 和x2= 7.5102exp(-75.2/RT)(t-t0)。,致 謝,本文是在李亞江教授悉心指導下完成的。謹對導師多年來在學術上的諄諄教導與生活上的關心致以崇高的敬意。 特別感謝實驗室各位老師與同學的幫助！ 本課題得到國家自然科學基金（50375088）和哈爾濱工業(yè)大學焊接國家重點實驗室開放基金的資助，特表謝意。,懇請各位專家提出寶貴意見！,Thank you,