felt3gtal钢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摘要Fe3Al金属间化合物具有良好的抗氧化、耐腐蚀性以及较高的抗高温蝙变性能，但是Fe3Al金属间化合物氢脆敏感性较强，焊接过程中在接头处产生很大的热应力，易导致产生焊接裂纹，焊接性较差。因此，焊接问题成为阻碍Fe3A1金属州化合物推广应用的关键。为了推进Fe3A1金属间化合物在抗氧化、耐磨、耐腐蚀等工程结构材料中的应用，本文采用真空扩散焊工艺，对Fc3A1金属间化合物与Q235低碳钢(或ICrl8Ni9Ti不锈钢，简称18-8钢)异种材料的焊接进行了试验研究，对Fe3AI／Q23

2、5及Fe3A1／18—8扩散焊界面的微观组织结构和界面附近元素的扩散行为进行了分析，给出Fe3A1／Q235及Fe3AI／18—8扩散焊界面附近元素浓度场以及界面过渡区宽度与扩散焊工艺参数的关系。采用扫描电镜(SEM)分析了Fe3AI／Q235及Fe3AI／18．8扩散焊界面的结合状况以及界面剪切断口的微观形貌。研究了工艺参数对Fe3A1／Q235及Fe3AI／18．8扩散焊界面结合特征和剪切强度的影响。试验结果表明：Fe3AI与Q235钢扩散焊时控制加热温度在1060℃左右，保温时间45～60min

3、，焊接压力12～15MPa；Fe3Al与18．8钢扩散焊时控制加热温度在1040℃左右，保温时间45～60min，焊接压力12～15MPa，可以获得界面充分扩散结合，剪切强度较高的扩散焊接头(仉(Fe，AI／Q235)=112MPa，吼(F口AI／18．s)=226MPa)。本文提出的Fe3All钢异种材料扩散焊界面过渡区包括混合过渡区和靠近母材两侧的过渡区。通过对Fe3A1／Q235及Fe3AI／18—8扩散焊界面过渡区显微组织的研究表明：Fe3A1／Q235及Fe3AI／18-8扩散焊界面过渡区具

4、有明显的扩散特征，扩散焊界面两侧的过渡区相互交错，界面过渡区中弥散分布有第二相粒子，导致扩散焊界面出现显微硬度峰值。控制加热温度1060"C，保温时间60rain时，Fe3A1／Q235及Fe3A1／18-8扩散焊界面显微硬度峰值分别为HM530和HM720。采用x射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)和透射电镜(TEM)对Fe3AI／Q235及Fe3AI／18-8扩散焊界面过渡区形成的微观相结构进行了判定与分析。结果表明，Fe3AI／Q235扩散焊界面过渡区由FeAl、Fe3A1和叶Fe(A1)

5、固溶体构成，界面靠近Q235一侧过渡区中的征．Fe(A1)固溶体呈板条状分布，并且在摘要Ⅱ-Fe(A1)固溶体上弥散分布有少量Fe3C。a—Fe(A1)固溶体与F。3C之间存在着[001]。．Fe／／【100]Fe3C与(110X．Fe／／(011)F。，c的晶体学位向关系。Fe3AI／18-8扩散焊界面过渡区由Fe3A1、FeAl、cc—Fe(AI)固溶体和Ni3Al构成。透射电镜观察FesAI／18-8扩散焊界面附近出现了具有不同间距的Fe3Al位错对，甚至位错缠结现象，这有利于提高扩散焊界面的结

6、合强度。根据Fick第二定律，并考虑实际焊接条件，通过增加初始条件和边界条件，建立Fe3AI／Q235及Fe3A1／18—8扩散焊界面元素浓度场的数值分析模型，对Fe3AI／Q235及FesAl／18—8扩散焊界面附近元素的浓度分布进行计算分析，计算结果与电子探针测试结果进行对比表明两者基本吻合。通过电子探针(EPMA)分析Fe3AI／Q235及Fe3AI／18-8扩散焊界面过渡区Al、Fe、cr、Ni等元素的浓度和扩散分布，根据不同扩散焊工艺参数条件下元素的扩散距离，确定Al、Fe、cr、Ni等元素

7、在Fe3AI／Q235及Fe3A1／18．8扩散焊界面过渡区中的扩散系数，建立界面扩散反应动力学方程，探讨扩散反应层形成的潜伏时间以及扩散焊界面过渡区反应层的生长规律。结果表明相同温度下元素在界面过渡区的扩散系数均大于母材中元素的扩散系数，因此Fe3AI／Q235及Fe3A1／18．8接触界面的微观结构有利于促进元素的扩散，形成界面过渡区。其中Fe3Al／Q235扩散焊界面过渡区宽度X2=4．8×104exp(．133020／RT)(t一，o)；Fe3A1／18-8扩散焊界面过渡区宽度，=7．5×10

8、2exp(．75200／RT)(t．fo)a本文首次研究了Fe3Al／Q235及Fe3AUt8-8扩散焊界面的微观组织结构及界面附近元素的扩散机制。该研究工作为Fe3Al金属间化合物的推广应用提供了试验依据和理论基础。所得出的研究成果对于进一步开展Fe—A1金属问化合物与其他材料的扩散焊界面附近元素的扩散反应动力学内在规律的研究奠定了重要的基础。关键词：Fe3A1金属间化合物；真空扩散焊；界面过渡区；微观组织结构：元素扩散山东大学博士学位论文ABSTRA