Mg/Al活性异种金属焊接界面微观结构及元素扩散的研究

论文摘要

镁具有低密度、高比强度及可再回收利用等优点，成为工程结构材料领域关注的焦点，但焊接过程中易形成脆性相、裂纹、气孔等缺陷，并且还存在热影响区过宽及焊后变形等。因此，焊接问题成为阻碍镁及镁合金应用的关键。 为了推进镁合金的应用，本文采用固相扩散焊和钨极氩弧焊对Mg与Al异种金属进行了焊接试验研究。在接头组织结构观察、分析及接头性能测试的基础上，研究Mg／Al异种金属接头组织结构与性能的关系。通过对Mg／Al扩散焊界面微观组织结构和界面附近元素的扩散行为进行分析，寻求界面过渡区的形成与元素扩散之间的规律。 利用金相显微镜和扫描电镜（SEM）对Mg／Al异种金属接头焊接区的组织结构及性能进行了分析。扩散焊界面过渡区主要由Mg侧过渡层、中间扩散层及Al侧过渡层组成，两过渡层的显微硬度为HM200～350，中间扩散层的显微硬度为HM125～150。扩散焊接头剪切试验结果表明，加热温度在470～490℃，保温时间在60～120min，压力小于0.1MPa，可获得结合良好的Mg／Al扩散焊接头。加热温度475℃时，扩散焊接头界面的最大剪切强度为18.94MPa，约为Al母材强度的40％。TIG焊接头熔合区由熔化结晶区和半熔化结晶区构成，熔化结晶区主要由粗大柱状晶和等轴树枝晶组成，半熔化结晶区主要由未结晶组织和柱状树枝结晶组织组成。 采用电子探针（EPMA）、X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）对Mg／Al异种金属接头焊接区的形成及微观相结构进行了分析。结果表明，扩散焊界面过渡区中形成的相主要是Mg17Al12、MgAl和Mg2Al3，从Mg侧向Al侧依次由Mg17Al12→MgAl→Mg2Al3构成。Mg17Al12相主要以团块状和弥散形式存在于Mg基体上，弥散分布的Mg17Al12相与密排六方的Mg基体组成多晶环结构。TIG焊接头Mg侧熔合区附近存在Mg17Al12和Mg2Al3相，以及少量的Al4Si相。 Mg／Al扩散焊界面过渡区的形成主要经过四个阶段，其生成相的形成顺序依次为：MgAl→Mg17Al12→Mg2Al3，反应生成物的形成速度为VMg2Al3＜VMg17Al12＜VMgAl。随着加热温度的提高，MgAl相的生长速度逐渐减小，而Mg2Al3和Mg17Al12相的生长速度逐渐增大，当加热温度480℃时，界面过渡区各新相生长速度为

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Mg合金的发展及应用
• 1.2.1 Mg合金的发展现状
• 1.2.2 Mg合金的应用
• 1.3 Mg合金的焊接研究现状
• 1.3.1 Mg合金的焊接
• 1.3.2 Mg合金与Al合金的焊接
• 1.3.3 异种材料界面扩散理论的研究进展
• 1.4 本课题研究的目的、意义
• 1.5 本课题的研究内容及应用前景
• 1.5.1 研究内容及技术路线
• 1.5.2 应用前景
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验母材
• 2.2 试验设备及工艺
• 2.2.1 扩散焊设备及工艺
• 2.2.2 TIG焊设备及工艺
• 2.3 试样切取、制备及显蚀
• 2.4 试验及研究方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 Mg/Al异种金属扩散焊界面强度与组织特征
• 3.1 引言
• 3.2 Mg/Al扩散焊接头的界面强度
• 3.2.1 扩散焊接头的界面剪切强度
• 3.2.2 扩散焊接头界面附近的显微硬度
• 3.3 Mg/Al扩散焊接头的断口及断裂分析
• 3.3.1 扩散焊接头断口SEM分析
• 3.3.2 扩散焊界面的断裂分析
• 3.4 Mg/Al扩散焊界面的组织特征
• 3.4.1 扩散焊界面过渡区的划分
• 3.4.2 扩散焊界面过渡区的显微组织
• 3.4.3 扩散焊界面过渡区的结合特征
• 3.5 本章小结
• 第4章 Mg/Al异种金属扩散焊界面附近的微观结构
• 4.1 引言
• 4.2 Mg/Al扩散焊界面过渡区的相结构
• 4.2.1 界面过渡区的元素浓度分布
• 4.2.2 界面过渡区的XRD相结构
• 4.3 Mg/Al扩散焊界面过渡区TEM观察
• 4.3.1 Mg侧过渡层的精细结构
• 4.3.2 Al侧过渡层的精细结构
• 4.4 Mg/Al扩散焊界面过渡区相结构的形成
• 4.4.1 扩散焊相结构与Mg-Al相图的比较
• 4.4.2 界面过渡区相结构的形成模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 Mg/Al异种金属TIG焊接头的组织性能
• 5.1 引言
• 5.2 TIG焊接头焊接区显微组织结构
• 5.2.1 接头熔合区附近的显微组织
• 5.2.2 接头熔合区的组织划分方案
• 5.3 TIG焊接头焊接区的显微硬度及断口分析
• 5.3.1 接头熔合区附近的显微硬度
• 5.3.2 接头熔合区的断口分析
• 5.4 TIG焊接头熔合区元素分布及相结构
• 5.4.1 接头熔合区附近的元素分布
• 5.4.2 接头熔合区附近的XRD分析
• 5.4.3 Mg/Al扩散焊与TIG焊比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 Mg/AI异种金属扩散焊界面元素的扩散机制
• 6.1 引言
• 6.2 Mg/Al界面元素的理论扩散分析
• 6.2.1 界面Mg、Al元素的扩散方程
• 6.2.2 界面Mg、Al元素的扩散计算
• 6.3 Mg/Al扩散焊界面元素扩散的数值分析
• 6.3.1 界面过渡区元素D-C分布方程的确定
• 6.3.2 界面过渡区元素的扩散系数
• 6.3.3 界面过渡区元素C-x分布的数值计算
• 6.3.4 计算与实测结果的比较与分析
• 6.4 Mg/Al扩散焊界面反应动力学
• 6.4.1 界面过渡区新相的生长速度
• 6.4.2 界面过渡区扩散距离的数值分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 本文的主要创新点
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表