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1、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重大潜在的使用价值，对经济建设和国防
2、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
3、、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Workhorse型真空扩散焊设备及试样装配Fixed ramMovable ramMicaTemperature controller SamplesHeater elementThermo- couple 工艺参数范围：加热温度T9801080，保温时间t1580min，焊 接压力P1017.5MPa，真空度1.3310-4 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
4、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3.1 Fe3Al/Q235扩散焊界面附近的组织特征 (SEM) Q235(b)3. 3. 扩散焊界面组织特征扩散焊界面组织特征Fe3Al18-83m(b)(a)Fe3Al18-825mA B C混合过渡区近Fe3Al 侧过渡区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3.2 FeFe3 3Al/1
5、8-8Al/18-8界面附近的显微组织特征 (SEM)图3.3 Fe3Al异种材料扩散焊界面过渡区的划分 (a)Fe3AlQ235(b)Q235Fe3Al(a) 106030min, P=10MPa (b) 106060min, P=12MPaQ235(d)10mFe3AlTransition zone(c)Fe3AlQ23510mTransition zone(c) 102060min, P=10MPa (d) 106060min, P=12MPa图3.4 Fe3Al/Q235界面过渡区的显微组织 (SEM)图3.5 FeFe3 3Al/18-8Al/18-8界面过渡区的显微组织 (SEM)
6、(a) 102060min, P=17.5MPa (b) 104030min, P=17.5MPa(c) 104060min, P=15MPa (d) 106060min, P=15MPa(d)Fe3Al18-88mTransition zone(c)Fe3Al18-810mTransition zone(b)Fe3Al18-810mTransition zone(a)Fe3Al18-810mTransition zone(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. 4. 扩散焊界面剪切强度扩散焊界面剪切强度 Fe3Al
7、/Q235扩散焊界面加热温度1060左右，保温4560min，压 力1215MPa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4560 min、焊接 压力1215MPa。能够获得界面结合良好、剪切强度较高的Fe3Al/18-8扩散焊接头。 (b) 保温时间 剪切断口形貌12.5m(a)10m(b)(a) 脆性断裂 (b) 解理台阶 图4.4 Fe3Al金属间化合物 的室温断口形貌 (SEM)12.5m(e)100m(b)(d15m(a
8、) 脆性断裂 (b) 解理断裂 (c) 能谱分析 (d) 河流条纹(e) 准解理断裂 (f) 能谱分析图3.5 Fe3Al异种材料扩散焊界面的剪切断口形貌 (SEM)界面剪切断口形貌较多为解理断裂和准解理断裂，有少量的韧性断裂 特征。能谱分析表明断裂主要发生在过渡区靠近Fe3Al一侧(a) 测试位置 (b) 显微硬度图5.1 Fe3Al/Q235界面过渡区的显微硬度分布 界面过渡区显微硬度106060min, P=15MPa时界面 过渡区显微硬度峰值HM520， 小于FeAl、FeAl2等脆性金属间 化合物的显微硬度5. 扩散焊界面微观组织结构 (a)Fe3AlQ23525m(a) 测试位置
9、(b) 100060min图5.2 Fe3Al/18-8界面过渡区的显微硬度分布(c)104060min (d) 106060min(a)Fe3Al18-850m1040 60min, P=15MPa时过渡 区显微硬度值 HM500(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) C 图5.3 Fe3Al/Q235界面过渡区元素的分布 (EPMA)界面过渡区元素扩散分布(a) T=1000 (b) T=1040图5.4 Fe3Al/18-8界面过渡区Cr、C元素的分布 (EPMA) Cr作为强 碳化物形 成元素， 与C在界面 靠近18-8钢 一侧形成 Cr-C化合 物(a) 测试位置 (b)
10、Al (c) Fe (d) Ni图5.5 Fe3Al/18-8界面过渡区Al、Fe、Ni元素的分布(EPMA)(a) 界面近 Fe3Al 侧 (b) 界面近Q235 侧图5.6 Fe3Al/Q235界面相结构的X射线衍射图 (XRD) 界面XRD相结构分析界面附近主要形成Fe3Al、-Fe (Al)固溶体(FeAl相极少), 相结构 排列从有序超点阵FeAl、Fe3Al过渡到-Fe(Al)固溶体，有利于改善和提高扩散焊界面的组织结构和韧性 (a) 界面近Fe3Al侧 (b) 界面近18-8侧图5.7 Fe3Al/18-8界面相结构的X射线衍射图 (XRD)加热温度由1020升高到1060时，F
11、e3Al/18-8扩散焊界面形成的 相结构的变化规律为：(FeAl2+Fe2Al5+ -Fe(Al) (Fe3Al+FeAl+ -Fe(Al)Ni3Al)(Fe3Al+ -Fe (Al)+Ni3Al+Cr2Al)(a) TEM 形貌 (b) 电子衍射花样 (c) 指数标定结果图5.8 界面精细结构特征 (TEM) Fe3Al/Q235界面TEM观察(a) TEM 形貌 (b) 电子衍射花样 (c) 指数标定结果图5.9 界面Fe3Al与-Fe(Al)的精细结构 (TEM)B=110界面过渡 区Fe3Al具 有典型的 超点阵结 构，由许 多位错胞 壁组成-Fe(Al)固溶体与少 量Fe3C之间存
12、在下述晶 体学位向关系： (110)-Fe(011)Fe3C 001 -Fe100 Fe3C(a) TEM 形貌 (b) 电子衍射花样 (c) 指数标定结果图5.10 界面过渡区的Fe3Al精细结构 (TEM) Fe3Al/18-8界面TEM观察(a) TEM 形貌 (b) 电子衍射花样 (c) 指数标定结果图5.11 界面析出相和-Fe(Al)固溶体的精细结构(TEM) -Fe(Al)固溶体与少量 Fe3C之间存在 (002)-Fe(Al)(130)Fe3C的晶体学位向关系 Fe3Al/18-8界面图6.1 求解元素扩散分布方程的坐标系 界面元素的扩散方程6. 界面元素的扩散图6.2 Fe3
13、Al/Q235界面元素分布 计算值与实测值(EPMA)比较(a) 计算结果 (b) EPMA 图6.3 Fe3Al/18-8扩散焊界面元素分布计算与实测值比较(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 图6.4 加热温度对Fe3Al/18-8界面过渡区元素分布的影响(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni 图6.5 保温时间对Fe3Al/18-8界面过渡区元素分布的影响随T的升高及t 的延长，元素 扩散距离增加 ，但当超过 T1060 , t60min，元 素扩散不再发 生明显变化(a) Al (b) Fe 图6.6 Fe3Al/Q235界面元素扩散距离与保温时间的关系 界面过渡区生长规律(a) Al (b) Fe (c) Cr (d) Ni图6.7 Fe3Al/18-8界面元素扩散距离与保温时间的关系 (a) Fe3Al/Q235 (b) Fe3Al/18-8 图6.8 界面过渡区元素扩散系数与温度的关系 界面过渡区宽度的计算Fe3Al/Q235扩散焊界面过渡区宽度的表达式： Fe3Al/18-8扩散焊界面过渡区宽度的表达式： 式中：x界面过渡区宽度，m；R常数，8.314 JK/mol；T加热温度，K；t保温时间，s。 7. 7. 结结
