（材料加工工程专业论文）fe3al合金a304不锈钢的熔焊工艺与接头性能试验研究.pdf

f e 3 a 1 合金a 3 0 4 不锈钢的熔焊工艺 与接头性能试验研究 摘要 f e ，a 1 金属间化合物以其耐磨、耐蚀、抗氧化、抗硫化等特性受到关注， 但由于焊接性较差，因而难以在工程结构中广泛应用。本文分别采用电子束焊 ( e b w ) 和钨极氩弧焊( t i g ) 对f e 3 a l 与a 3 0 4 异种合金薄板进行了焊接，分析 了f e 。a i a 3 0 4 接头区的显微组织和力学性能。 对在不同工艺参数下电子束焊( e b w ) 接头进行的分析结果表明：焊接速度、 热输入功率和热流密度是影响焊接性的主要因素，电子束焊接一定程度上抑制 了热裂和冷裂的发生，焊缝内部、外部平整，无任何夹杂、氧化皮，成形性良 好，焊缝区和热影响区较小。焊缝具有良好的力学性能，f e 。a i a 3 0 4 接头抗拉 强度可达3 2 5 m p a ，断口微观形貌以准解理为主的混合型。断口多发生在原界面 靠近f e 。a l 侧处。 分别选择9 c r i m o 钢焊丝、a 3 4 7 焊丝和i i q c o r l e l8 2 镍基合金焊丝作填充 材料对f e 。a 1 合金与a 3 0 4 不锈钢进行焊接试验，并对接头质量进行了检测分析。 结果表明：填充材料和焊接工艺参数对焊接性影响较大。采用a 3 4 7 焊丝和 i n c o n e l8 2 镍基合金焊丝时。焊缝和f e 。a l 合金的热影响区中均有裂纹产生， 且采用镍基焊丝时，f e 3 a l 侧存在界线明显的熔合区。采用9 c r - i m o 钢焊丝时， 溶池金属沿f e 3 a 1 母材基体结晶长大，接头区组织较均匀，裂纹倾向小，其抗 拉强度最高可达2 5 9 m p a 。接头断裂位置一般在靠近f e 。a l 侧的焊缝区，宏观上 看断口参差不齐，微观上看断口形貌复杂，可能与焊缝区的复杂组织及断裂位 置靠近f e 担1 侧有关。 关键词；f e 。a l 合金熔焊工艺 接头性能 s t u d yo nf u s i o nw e l d i n gp r o c e d u r eo ff e a a i a 3 0 4 a n dp r o p e r t i e so ft h ej i o n t s a b s t r a c t aw i d ea t t e n t i o no nf e 3 a 1i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dw e r ed r a w nf o ri t ss p e c i a l p e r f o r m a n c es u c h a s r e s i s t i n gw e r e ，c o r r o d e ，o x i d a t i o na n ds u l f u r a t i o n t h e w e l d a b i l i t yi sb a da n di t i sd i f f i c u l tt oe x t e n di t sa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e rt h e w e l d a b i l i t yt e s t sh a v eb e e np e r f o r m e do nt h i ns h e e t so ff e 3 a 1i n t e r m e t a l l i e sa n d 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lb yu s i n ge b ww e l d i n ga n dt i gw e l d i n gr e s p e c t i v e l y t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef e 3 a i l a 3 0 4j o i n t sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fv a r i a n tw e l d i n g p a r a m e t e r sb ye bw e l d i n g t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h ev a c u u mn e e d e df o re b w e l d i n gp r o c e s s e l i m i n a t e d h y d r o g e n i n d u c e dc r a c k i n g a n d p r o v i d e d b e t t e r w e l d m e n t t h ew e l d m e n td i dn o te x h i b i ta n yt e n d e n c yt oc r a c ka n df o l do ro x i d e s u r f a c e i tw a sf o u n dt h a tf u s i o nz o n ea n dh e a ta f f e c tz o n e ( h a z ) w e r en a r r o w t h e w e l d m e n t sh a v e g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h o ft h e f e 3 a 1 a 3 0 4j o i n ti s a sh i g ha s3 2 5m p a t h em i c r o f r a c t u r em o r p h o l o g yi sm i x e d f r a c t u r em o s t l yo fn o r mo n e ，a n dw i t ho b v i o u s l yt e n a c i t yh o l ea n dl a c e r a t e de d g e o nf e 3 a is i d e t h ew e l d a b i l i t yt e s t sh a v eb e e np e r f o r m e do nf e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sa n d3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lw i t hf i l l e rm a t e r i a l so f9 c r - 1 m ob a s e da l i o y 3 4 7 a u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e la n di n c o n e l8 2n i c k e l - b a s e da l l o yr e s p e c t i v e l yb yt i gw e l d i n g ，t h ej o i n t s h a v ea l s ob e e n s t u d i e d t h er e s u l t sa r e a sf o l l o w s ：t h e w e l d a b i l i t y o f i r o n - a l u m i n i d e sa l l o y so nt i gw e l d i n gh a sc l o s er e l a t i o nw i t hf i l l e rm a t e r i a l sa n d w e l d i n gp a r a m e t e r c r a c kf o r m so nw e l d i n gz o n ea n dh e a t i n ga f f e c t e d z o n eo f f e 3 a 1a l l o yw i t hf i l l e rm a t e r i a l so f3 4 7 a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n di n c o n e l8 2 n i c k e l b a s e da l l o y , a n d f u z i o nz o n ec a nb ef o u n do b v i o u s l yw h e nw e l d e dw i t h f i l l e rm a t e r i a l so fn ib a s e da l l o ya tt h es i d eo ff e 3 a lb a s em a t e r i a l s t h em o l t e n m e t a lo ft h ep o o lc o a g u l a t e sa l o n gt h eb a s em a t e r i a l o ff e 3 a ia l l o yw i t hf i l l e r m a t e r i a l so f9 c r 1 m ob a s e da l l o ya n dt h em i c r o s t r u c t u r ep h a s eo ft h ej o i n ti s h o m o g e n e o u s t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ef e 3 a i a 3 0 4j o i n ti s a sh i g hf l s2 5 9m p a t h ef e 3 a 1 a 3 0 4j o i n ti sl a c e r a t e do nw e l d i n gz o n en e a rf e 3 a ls i d e ，t h e m a c r o f r a c t u r em o r p h o l o g yi sn o ts m o o t ha n dt h em i c r o f r a c t u r em o r p h o l o g yi s m i x e dk i n d so ff r a c t u r ea n dm a y b er e l a t e dt ot h el a c e r a t e de d g eo nf e 3 a is i d e k e yw o r d s ：f e 3 a ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d w e l d i n gp r o c e s s i n g p r o p e r t i e so f j i o n t s 插图清单 图1 1f e - a l 合金两种结构超点阵的单位晶胞1 图卜2f e a 1 合金相图。1 图1 - 3f e ，a 1 局部相图。，1 图2 - 1 金相位置观察示意图一1 5 图2 - 2f e 。a 1 a 3 0 4 电子束焊缝的宏观形貌。1 5 图2 - 3f e ：a 1 f e 。a 1 电子束焊缝的金相组织x1 6 0 1 5 图2 - 4f e ，a 1 a 3 0 4 电子束焊缝的金相组织1 6 0 1 6 图2 - 5f e ，a 1 f e ，a 1 接头区的显微硬度1 7 图2 - 6f e ，a 1 a 3 0 4 接头区的显微硬度1 7 图2 - 7f e 。a 1 a 3 0 4 合金电子束焊接头f e 。a l 侧拉伸断口微观形貌1 8 图2 - 8f e 。a 1 a 3 0 4 合金电子束焊接头a 3 0 4 侧拉伸断口微观形貌2 0 图3 - 1f e ，a 1 合金与不锈钢随温度变化的热导率一。2 4 图3 2 f e 。a 1 合金与不锈钢随温度变化的线膨胀系数一。2 4 图3 - 3 焊接试板坡口示意图2 6 图3 - 4 接头区焊缝的外观形貌一2 6 图3 59 0 r 一1 m o 填充焊丝的a 3 0 4 侧组织 1 6 0 2 7 图3 - 6a 3 4 7 填充焊丝的a 3 0 4 侧组织x3 2 0 2 7 图3 - 7i n c o n e l8 2 填充焊丝的a 3 0 4 侧组织x3 2 0 2 7 图3 - 89 c r 一1 m o 填充焊丝的f e 3 a 1 侧组织x1 6 0 2 7 图3 9a 3 4 7 填充焊丝的f e 3 a 1 侧组织 5 0 一。2 8 图3 - 1 0i n c o n e l8 2 填充焊丝的f e3 a l 侧组织x3 2 0 2 8 图3 - 119 c r - l m o 焊丝的焊缝组织和裂纹x1 6 0 3 0 图3 一1 2a 3 4 7 焊丝的焊缝组织和裂纹图x3 2 0 3 0 图3 一1 3i n c o n e l8 2 填充焊丝的焊缝组织和裂纹 3 2 0 3 0 图3 一1 49 c r 一1 m o 焊丝接头区显微硬度，3 2 图3 - 1 5a 3 4 7 焊丝接头区显微硬度3 2 图3 1 6i n c o n e l8 2 镍基焊丝接头区显微硬度。一3 3 图3 - 1 7i n c o n e l8 2 镍基焊丝接头母材区拉伸断口微观形貌。3 4 图3 - 1 89 c r - l m o 填充焊丝的接头区拉伸断口微观形貌。3 5 图3 - 1 9a 3 4 7 填充焊丝的接头区拉伸断口微观形貌。3 6 表卜1 表i - 2 表卜3 表2 - i 表2 2 表2 - 3 表3 - i 表3 - 2 表3 - 3 插表清单 几种合金的抗氧化性能的对比4 合金的化学成分( 质量百分数) 1 0 填充材料对f e a 1 基合金钨极氩弧焊焊接开裂行为的影响1 0 f e 3 a 1 金属间化合物的化学成分及热物理性能( 质量分数) 1 4 a 3 0 4 奥氏体不锈钢的化学成分及力学性能1 4 f e a l 系金属间化合物的显微硬度1 7 焊丝的化学成分( 质量分数，) 2 6 f e 3 a l a 3 0 4t i g 焊接件的室温拉伸性能3 3 填充材料对f e 3 a 1 a 3 0 4 薄板钨极氩弧焊焊接开裂行为的影响3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文俘麓签字氟每；啦字麓期：加年锻，两 学位论文版权使用授权书 零攀镘论文箨者完惫了躺。垒黩忑鳖焘宝蠢芙揲鬟、捷瑁学搜论文麓撰定舂蔽疑露势粕 困家有熬部门兢机构送嶷论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅或借阅。本人授权叠日b 王业态 鬟一霹疆将攀像论文戆全部袋帮分论交内容缡入霄关数裙瘁滋雩亍捡索，胃滋聚翔影印、辖帮袋稿 攒等整剿手段臻存、汇编学经埝文。 ( 保密的学位论文在解密舔邋髑零授权鹌) 学位论文卷攫名一确 签字爨期；霉争秀 j 秘 攀往论文律者肇鼗螽去翔： 工作单位： 通讯地址： 导痨签名； 签字嚣辩：必 f 每劲 艺每相f 7 鏊 电话。 郏编： 致谢 本文是在我的导师徐道荣副教授的悉心指导和帮助下完成的。徐老师渊博 的知识、严谨求学的作风、勇于创新的精神和敏锐的洞察力，以及在学习、工 作和生活上给予的关怀、帮助和鼓励，使学生终生难忘，受益匪浅。在此，谨 向徐老师表示最衷心的感谢和崇高的敬意。我将永远牢记导师的教诲，以指导 今后的工作和学习。 在课题试验过程中，我也得到了实验室李萌盛老师、胡小建老师、薛国宪 老师以及安徽轻工机械厂陶余德师傅和电子三十八所梁宁工程师的关心和帮 助。同时，感谢张伟伟、胡志田以及焊接实验室的其他同学对我的帮助! 感谢家人二十多年来对我的支持、理解、关心和鼓励，他们勤劳、朴实和 乐观的高贵精神是我学习的榜样和前进的动力! 最后，感谢所有给予我关心和帮助的老师和同学们! 作者：何前进 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 金属间化合物的发展概况 1 9 1 4 年英国冶金学家首次提出“金属间化合物”一词，并开始把这类化合 物从正常化合物中区分出来。金属间化合物是指由两种或更多的金属组元按比 例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合 物。与以相图中端际固溶体为基体的金属材料不同，金属间化合物则是以相图 中间部分的有序金属问化合物为基体，是一种全新的材料，与传统材料相比， 有其特殊的特点和规律。 上个世纪5 0 年代人们发现金属间化合物具有反常强度一温度关系，也就是 其强度随温度的升高先增大后减小，完全不同于传统金属材料强度随温度升高 而下降的关系。所以具有高温结构材料的特殊优点，人们对这类材料进行了大 量的研究，发现：金属间化台物中不仅有金属间，还具有共价键，使得原予问 的结合力增强，化学键趋于稳定，具有高熔点高硬度的特点；此外由于结构中 原子间的结合力强，扩散减慢，导致蠕变激活能提高。具有较高的抗蠕变性能： 其长程有序结构抑制了交滑移过程，减少了滑移系统，从而降低了循环加载过 程中裂纹萌生的可能性，因而具有较高的疲劳寿命：另外，金属间化合物在氧 化气氛中能生成致密的氧化膜，具有较好的抗氧化性。 目前，人们已经研制出许多有希望工业化的金属间化合物。( 1 ) 在接近端 际固溶体的a ，b 化合物中温，n i 3 a 1 基合金的研究已经成熟，易应用的方向是民 用工业，特别是要主要在发挥其抗氧化和防渗碳、耐磨等优越性。t i 。a l 合金 的研究业已成熟，与t i 基合金相比，优势不大。f e 。a 1 基合金研究已经成熟， 力求在耐腐蚀、抗氧化领域应用。( 2 ) 在a b 化合物中温区，t i a l 合金已被肯 定为最有希望的金属问化合物，其铸造合金已进入工业应用。n i a l 合金的研究 高峰已过，人们正集中研究有希望的多相n i a l 合金结构材料。近来f e a l 合金 的研究已趋于深入，正在探索工业应用方向。1 f e a l 系金属间化合物与n i - a 1 、 t i - a l 系相比，由于原料丰富且成本低廉，密度小于不锈钢，具有优异的抗高 温氧化、耐热腐蚀等性能，因而更具广泛的工业应用前景。c 3 “1 1 2 f e - a 1 金属间化合物的结构、性能及发展概况 1 2 1 f e a 1 合金的相图和结构 f e - a 1 金属间化合物以体心立方为基本结构。f e a l 系合金在室温下随a l 含量的增加，出现无序的q f e ( a 1 ) 相、f e 。a l 有序相和f e a l 有序相。a f e ( a 1 ) 相为体心立方结构：f e ，a l 有序相为d o 。型结构，属面心立方结构；f e h l p v 砖 喇 f ( a ) d 0 3( b ) b 2 图卜1f e a i 合金两种结构超点阵的单位晶胞“1 惑 1 3 l o l _ 加例产 1 1 6 4 j 漆淤| | l 蓦囊j 董斟l 弋曩 黍黼i ! f _ ；_ i 强 一旧亡一 b 啦毕、 ! | ；_ ，曩 柚 i薯警 一6 5 2 誊 。9 9 i ! - 1 j 茹谳羚 r ￥屿_ 哔， ；：f f | 01 0 舶一5 0i7 01 0 0 凡州曲碑吩娃砘州m a i 图1 - 2f e - a 1 合金相图“ l 音量1 1 ) 圈卜3f e d , l 局部相图 2 锄栅 !君一_蛳一嘶曩一盆_一_；_卿鼬 一p矿a冀摹$一 有序相为b 2 型结构属体心立方结构，图1 - 1 “3 所示。图卜2 ”为f e a 1 合金 相图，a 1 稳定n f e ，当a 1 在1 8 2 0 以下均为无序的含a 1 的t l f e 固溶 体，具有铁磁性。当含a l 量高于1 8 2 0 时出现有序化，在f ea a l 成分处 于稳定的结构是有序的d 0 ，型结构，但其稳定的温度随成分而异，最高的t c 为 5 5 0 ，温度再高，稳定的结构为不完整的b 2 有序结构。当含a 1 量达到3 7 以上，室温下也是b 2 稳定结构。当a l 含量在2 3 3 7 区间，存在b 2 一d o s 型有序结构转变，高于t c 时为b 2 结构，快冷到室温时能保留b 2 相，再在5 5 0 以下时效，会发生b 2 一d o 。转变，不过此转变进行很慢。 目前在f e a l 合金中，由于f e ，a l 的应用潜力最大，因而有关的研究报道 最丰富。f e 。a 1 的化学计量成分为2 5 a t ，其局部相图如卜3 ”7 ( 图中实线表示 平衡相图，虚线表示亚稳相图) 。有图可知f e 3 a l 为单相区，a l 含量有较宽的 范围。 1 。2 。2f e 一轰l 台金豹磷窕蕊获 f e a l 系金属阃化台物f e 。a l 和f e a l 以抗裁忧、耐腐蚀的优辩特性和低廉 懿秘餐戏零爨蘩番蠹势瓣黉糠，麸上令 鎏纪3 冬莰莛，毒| 瓣努裁嚣鲶了对f e 一蠢l 合垒的研究。虽然在力学性熊、腐蚀行为以及组织结构和相关相巍过程的研究 上取得了黛骚的成果，但在塞濑脆性和溆度超过6 0 0 c 后材料强度怠剧下降( 被 试受是f e 攮l 夔嚣令致鑫弱焘 ，f e 。a 1 寒黯终必缝攘誊孝鞑农王照巾褥囊实际激 用。8 0 年代聪期至今，研究人员对f e a l 合金的反常屈服行为、合金成分的壤 论设诗、徽会金纯对f e 3 a l 性怒豹影璃、f e a a l 念蠡酶刳备工艺餐方薅进行了较 全稀的研究“。”。班美蠲橡树蛉函家实验嶷为代寝豹珏方磺究枧桷谯揭示3 焱l 的环境氢脆机制和改替室温脆性等方面取得了熬凝进展开发出的f e 3 a l 合企 不仪有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其室潋延律率可达1 2 8 “”，采用快 速凝强工藏锱狳、热挤压弱缡静f e 3 矗l 念金，箕窒溢延 枣搴藏这1 5 2 0 ，抗 拉强菠高速9 6 0 m p a “”。在我簸，从8 0 舔代中戮9 0 年代中斓，匿家科委和有荧 鄂秘悫惹懿f e - a 1 金满阋纯会貔懿馨 究翔入“8 6 3 ”计翻嚣一系舞磷究基金诗翔， 使f e a l 畿属闾化会物的基础性研究有了长足进展“”1 。由于其特殊的使用性 能，该材料融在航空、化工、核反应堆元件、熔炉高温装黢、电磁元件等众多 领域获愆广泛应鼹强“。 1 。2 。3f e ，a 1 含金戆魏浆特焱 ( 1 ) f e ，a 1 含金的抗载化性能 目前的研究已表明f e s a l 仓金的高滠抗裁他性能由予大多数的碳锻、含众 锈、不锈锈、囊溢会念、滚热余金及毳| 热铜孛酌抗氧往镧。袭1 - 1 魄较了f e 。a l 与不锈钢1 c r l 3 、铁索体抗氧化钢1 c r l 3 s i a l 和奥氏体型耐热钢1 c r 2 3 n i l 8 在 9 5 0 下的氧化增重率。“。究其原因，普遍认为：f e 。a l 之所以具有优异的抗氧 化性能。是由于在高温下和氧化气氛中，f e 3 a l 合金表面能够形成一层厚度极 表1 - 1 几种合焱的抗氧纯性能的对眈 比较合金 f e 3 a 1 1 c r l 3 1 c r l 3 s i a l1 c r 2 3 n i1 8 9 5 0 下的氧仡 0 0 0 2 5 1 。3 4 0 0 0 4 0 。0 0 2 i 增重率( m g c 0 - h ) 薄、结橡致密、玺长缓经豹糕一a 1 ：0 3 貘，获嚣疆盎雨帮金满氧纯。瑟太多数台 盒抗氧化性能缘自表瓶形成一层致衡的c r ：0 。，s i o ，或口- a 1 ：0 。，其中n - a 1 。0 ， 疑其爨护蛙。鼯手雾e 一矗l 二嚣会金，要形成致密豹8 一a 1 t o s 貘，矗l 含量必矮超 过1 4 ，可以看出f e 。a 1 中含量远远超过这一临界值，能够保持优异的抗氧化 性能。 ( 2 ) f e ，a 1 台众的抗硫蚀性能 在械气氛中，f e 。a l 合金表现出商蛉抗硫蚀性能。这是因为；表面腆a 1 。0 。 的稳定性好；a 1 与f e 或e r 相比其与硫的反应速度更慢；a l ：s 。的分子体积大。 这些性能使得在这种气氛下发生对a l 的选择性硫化，并在袭面即使在高淑下也 生长缓慢麓保护性硫化簇，黻碍了肉鄢金_ | 鬣的避一步腐镪。 ( 3 ) f e ，a 1 合会的电热性能和耐磨性能 豢研究，f e 。矗l 会金兵鸯澈掌焉耱毫热含金受态翡毫阻率，葵室滋魄遥率 蚀n i c r 电热材料的1 8 倍，是f e c r a 1 电热材料的1 5 倍“”。同时f e 。a l 合金出予舄赛豹竣路谯元素妇、k i 镣含量掇少，工篷纯生产残零大大下降。将 剐是与抗高温辍化性能相结合，使它有望发展成为新一代的电热材料以”。 f e ；a l 硬度柱对较低，艇由于冀细工硬化速率凑，仍蠢缀褰骢耐磨拣，表 面经过氮化处理应都会更高。试验表明：f e ，a l 的耐磨性比c r l 3 还要好，是潜 在的耐磨材料o ”。 ( 4 ) f e 。a 1 合鑫的性能弱点 尽管f e a l 金属间化合物具有许多的优点，戗窒温脆性和商滠强度偏低一 宣是融碍其实际应用的主要障碍。对其臆髋，既有本征腕性，又有环境蕊性。 本征脆性是指由f e a l 金属问化合物的电予结构、晶体结构、位锚运动特征带 来翡嗣有翡鹣谯。环撩麓缝燕指与一定的含水汽静环境稳蕊俸臻下寻致静脆往。 有序f e 执l 在空气中拉伸室温塑性很低，具有脆性解理断裂特征，其脆性 寒鑫嚣个方羲；一方瑟是怒镣甓瀑移，密予a p b 黪终霆，不容荔发垒交游移， 第二方而是 1 0 0 解理面具有较低的断裂威力心”。研究者通过在不同的气氛下 煞控 枣试验担鲇袭臻；窆气孛豹拳是诱导氢麓瓣主要霖嚣。蔷先，农气在袭覆吸 附，l 驳附的水汽与活性元素原子a 1 发生表面反应： 4 2 4 1 + 3 月2 0 _ a 1 2 q + 6 1 1 生成活性原子氢，再渗入合金表面并建立氢的扩散层，氢扩散层导致脆性裂 纹形核，提前形核并扩展断裂，或者在裂纹尖端发生表面反应生成氨原子加速 裂纹扩展。 f e ，a 1 合金的屈服强度与一般金属和合金不同，先随着温度的升高而升高， 5 5 0 c 左右达到峰值，以后随温度的升高而下降。这种反常现象有两种不同的解 释“：一种解释认为f e 3 a 1 屈服强度的增加是由于3 0 0 c 以上析出a 相引起时 效强化，析出动力随温度的升高而加大，在5 5 0 y ：左右引起的沉淀强化效果最 大，出现了屈服强度峰。另一种解释则认为，屈服强度的增加是由于超点阵位 错与有序点阵交滑移的结果。温度越高，有序度越低，超位错运动越困难，屈 服强度越高到5 5 0 ( 2 时有序度降为0 ，屈服强度到达峰值，而更高温度屈服强 度的降低是根据单根位错与部分有序点阵交互作用的结果。 1 2 4f e a a l 合金的制备 由于f e a l 金属问化合物低温塑性差，使材料的制备工艺比较复杂，材料 性能受到外界的影响因素比较多。目前在制备方面应用较广泛的有机械合金化 。”，传统的浇注+ 轧制及各种先进的铸造法“”，包括感应炉( a i m ) 、真空感应 炉( v i m ) 、真空自耗重炉( v a r ) 和电渣重炉( e s m ) 。但v i m 熔炼的质量较好， 采用v i m + v a r 可以得到高质量的合金，高a l 合金熔炼时要防止坩埚反应，如 用m g o 坩埚，则熔炼中的a 1 可以部分还原坩埚中的m g 进入熔池，一般有2 0 1 0 “m g 水平，这种m g 含量对合金没有坏作用。已经证实f e 3 a 1 合金中含有一定 数量的m g ，会起到改善塑性和热加工性的作用，现在一般采用7 4 m g o + 2 4 a 1 ：0 ，坩埚进行熔炼。铸态条件下f e 。a l 合金的塑性较差，只有在6 5 0 1 1 0 0 之间进行热加工。一般首先在1 0 0 0 左右进行5 0 变形，再在8 0 0 ，5 0 轧 制变形，最后在6 5 0 进行5 0 7 0 的温加工，这种后处理得到拉长晶粒，得 到最高的塑性，f e 。a l 合金的管子可以用离心铸造获得，也可以热穿孔方法获 得，仔细控制热加工过程也可以获得质量良好的f e 。a 1 丝、板等产品。另外有 人采用表面微晶化来细化f e 。a l 基合金的表面晶粒，提高了高温抗氧化能力“”。 蒲中杰”采用超声波来细化铸造合金，但效果不理想。 1 3f e ，a 1 合金的焊接性问题研究 金属的焊接性”是指金属在一定的焊接工艺条件下能否适应焊接加工而 形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的难易程度，受到材料、焊接方法、 构件类型及使用要求四个因素的影响。也就是说，金属焊接性的研究主要包括 以下两方面的内容：一是工艺焊接性，金属在某一焊接条件下得到优质焊接接 头的能力，不是由金属本身固有的性能，而是根据某种焊接方法和所采用的具 体工艺措施来评定的，它取决于；热源对被焊金属的热作用( 与焊接方法及焊 接参数有关) ，熔池金属的冶金处理( 与焊接材料有关) 以及焊前预热和焊后热 处理等工艺措施；二是使用焊接性即焊接接头在一定的条件下可靠运行的能 力，其中包括：力学性能、缺口敏感性及耐蚀性。 文献指出”“，f e a 1 金属问化合物的应用研究远落后于基础理论研究，使 这种性能优异的材料没能得到预期的开发利用。f e 扭1 合金要想在工程上得到 广泛应用，焊接问题是其实用化过程中所面临的首要问题之一，而这其中又包 括：f e a a l 合金自身的焊接以及它和异种材料之间的焊接( 如：碳钢、不锈钢、 陶瓷等) 。下面就f e 3 a l 合金的焊接性问题及相关的技术研究现状作概括性的综 述。 1 3 1f e a l 合金的工艺焊接性 焊接是作为结构材料推广应用的关键工艺，f e 。a 1 基合金焊接性的研究也 已引起了人们的关注。目前有关f e 。a l 基合金焊接工艺的研究还处于起步阶段， 已开展的工作有氩弧焊、手工堆焊、电子束焊、扩散焊等方法。研究结果表明， f e 。a l 基合金焊接性很差，在熔焊中出现的问题主要是冷裂纹和热裂纹，在其 他焊接方法时主要问题是接头区难以达到满意的力学性能。 冷裂纹是某些低合金高强钢以及一些特殊材料焊接中存在的主要问题，它 在焊后冷至较低温度下形成( m s 马氏体生成的开始温度) ，并且还具有延迟开 裂的特征。现在人们已经弄清了产生冷裂纹的三大要素口”，即母材本身及焊接 熔池的淬硬倾向( 组织因素) ，焊接过程中溶入接头区的扩散氢含量及其分布( 扩 散氢的影响) ，接头所承受的拘束应力或残余应力状态( 应力因素) 。f e 。a 1 基 合金由于其本身的性能弱点，在熔焊时容易在接头区出现冷裂现象。热裂纹是 f e 3 a l 合金在熔焊焊接过程中遇到的又一严重的焊接缺陷。基于对某些低合金 高强钢和高合金钢焊接热裂纹形成机理的认识可知，这类裂纹是在焊接熔池结 晶后期的高温区间内产生的( 故又称之为结晶裂纹) ，成因可归结为以下二个因 素”，一是冶金因素，即结晶后期在晶粒或枝晶之间存在连续的低熔点液态薄 膜，导致晶间结合强度降低；二是力学因素，即在结晶凝固过程中，由于拘束 而在局部产生了大于晶间结合强度的拉应力，导致晶间开裂。f e ，a 1 合金焊接 热裂纹的形成机理及过程在本质上与此是相同的，其产生与否也与上述两方面 因素密切相关。 由于f e ，a 1 基合金在室温下脆性大、塑性低，并且f e 。a l 基合金热导率低、 热膨胀系数大，熔体流动性差的特点，因此对它的焊接十分困难，限制了它作 为工程材料的应用。热膨胀系数大，使得焊接时变形较大，残余应力大，而热 导率低又使熔合区、热影响区与母材温度梯度大。这些不利于焊接的物理性能 6 使得f e 。a l 基合金的焊接性与所含的化学成分及焊接工艺参数有很大关系。“3 ”。 ( 1 ) 合金成分的影响 焊接过程是一个不均匀的加热及冷却过程，焊接接头在此过程中不同时期 承受不同的拉伸应力。在应力作用下，焊接接头产生内部变形，当变形超过该 接头具有的变形能力时就会开裂。人们对f e 。a 1 基合金在熔焊过程中经常出现 冷裂纹和热裂纹的原因考察时发现：f e 3 a 1 基合金材质本身及其合金系统对接 头开裂敏感性影响很大。 如果说扩散氢是f e 。a 1 合金电弧焊中产生冷裂纹的一个重要外因，则其材 质本身对冷裂纹( 氢致裂纹) 敏感则是生成冷裂纹的内在因素。相关的理论及 研究结果表明d “”删，f e 3 a l 合金对焊接冷裂纹敏感源于以下几个方面：一是 f e 。a l 金属间化合物熔体的流动性差o ”，因此在焊接熔池的冷却过程中，溶解 氨的溢出速度会迅速降低，而在通常情况下，氢在f e 基金属液相中的溶解度大 大地高于其在相应固相中溶解度。在焊接过程中，高温时溶解在液相熔池中的 原子氢由于在熔池冷凝过程中未能充分扩散溢出而大量滞留在固相接头中，在 多数情况下则处于过饱和状态，而这些氢在固相中仍具有很强的扩散能力，随 着时间的延长，会逐渐向缺陷处( 位错、空位、反相畴界、夹杂物) 扩散聚集 并结合成氢分子，从而使缺陷处的微区应力增大，为裂纹的产生提供了力学条 件；二是f e 3 a 1 金属问化合物的熔焊接头在凝固过程中会产生大量的微观晶体 缺陷，其中超点阵位错( s l ds u p e r l a t t i c ed i s l o c a t i o n ) 与反相畴界( a p b a n t i p h a s eb o u n d a r y ) 是这种有序合金中典型的线缺陷和面缺陷“。并且从 f e a 1 合金的有序转变动力学可知“，f e 。a l 金属间化合物的有序化转变速度很 快( 指从b 2 型向d 0 a 型结构转变) ，所以，焊后正常冷却条件下，在温度低于 临界转变温度t c ( 当成分在化学当量附近是t c 约为5 5 0 ) 的接头( 包括焊缝 和热影响区) 区域会迅速地由b 2 型转变为d o 。型超点阵结构，d 0 。型结构形成 虽然有利于接头的耐蚀性、耐磨性，但与b 2 型超点阵结构相比，它的塑性降低、 硬度和脆性提高，故具有较大的冷裂纹敏感性；三是与普通低合金钢相比，f e ，a 1 合金导热率较小，而热膨胀系数较大，在熔焊过程中，由于母材被焊区局部受 热会使焊后接头区域产生较大的残余应力，这在微观上有利于氢的扩散、聚集 及裂纹的启裂与扩展。 对于f e a 1 合金，一般是铝含量越高，耐热裂程度越高。在其他合金元素 的共同作用下，可以同不锈钢相媲美。研究人员采用g t a w 和e b w 这两种方法进 行f e 。a l 合金的焊接试验中发现了热裂纹并考察了相关因素的影响。在文献。7 1 中，作者用这二种熔焊方法在不同的焊接规范下( 主要变换焊接速度) 对五种 成分不同的f e 3 a l 合金的焊接热裂纹倾向进行了比较研究，发现：对于含有t i b ： 但未经过变质处理的f e 。a l 合金( 其中b 元素可以改善合金的低温塑性和高温 强度旺”) ，g t a w 在试验焊速时( 4 2 m m s ，8 5 m m s ) 均产生热裂纹，而电子束焊 7 也只有在低的焊速( 4 2 m m s ) 下才能得到无裂纹的焊接接头。而对于分别采 用c r 、n b 、m n 及c r - n b b 变质处理后的f e ；a l 合金，电子束焊在所有的试验焊 速( 4 2 m m s ，8 5 m m s ，1 6 9 m m s ) 时无热裂纹产生。以上的试验结果表明， 对于含t i 的f e 。a l 合金在冶金因素上决定了它的热裂纹倾向比较严重，同时 对熔池形状及加热冷却速度较敏感，只有在熔池形状合适且加热冷却速度较低 时( 低焊速的电子束焊) ，才不至于在熔池冷凝过程中产生局部大于晶间结合强 度的应力，从而避免热裂纹的产生。在文献“”中d a v i d 等人对二种不同热处理 状态( 热轧态与热轧加淬火态) 的f e 。a l 合金进行电子束焊的焊接试验，以考 察f e 捕l 合金原始组织对焊接性的影响。结果表明，尽管母材的显微组织不同， 但二者的热裂纹倾向没有差异。由上可知，f e 。a l 合金的焊接热裂纹倾向对母 材及焊材的舍金成分、焊接方法及焊接热输入比较敏感，尤其是合金成分影响 极大。 因此，在f e 。a 1 合金的熔焊焊接性试验中，从合金元素对热裂纹的影响角 度出发，将合金元素分为二类，一类是增大合金在熔焊时热裂倾向的元素，即 有害元素，如b 、z r 、m o 等，这是因为它们存在增大焊接熔池冷凝过程中在晶 粒间形成低熔点共晶的可能性；另一类是降低热裂纹倾向的元素，即有利元素， 如c r 、n b 、c 等，原因是由于c r 、n b 与c 能形成碳化物，可以降低产生低熔点 共晶的可能性。上述研究结果将为f e ，a l 合金焊丝的开发研制以及f e 。a 1 合金 本身的合金优化提供有益的参考。 ( 2 ) 热处理的影响 由于氢致冷裂的存在，焊前预热、焊后缓冷可能是很有必要的。预热可以 去除湿气和挥发性污染物，降低温度梯度，预热温度超过2 0 0 即可去除氢的 吸附，缓冷对于消除冷裂也是非常重要的。对于f e 3 a l 合金超过3 0 0 缓冷， 可能是必要的。因为它的韧脆转变温度约在3 0 0 c 。对于预热缓冷的温度，可 能受其它工艺参数的影响较大，目前尚无定论。 ( 3 ) 焊接方法的影响 研究人员在f e ，a 1 合金试验研究主要集中在钨极氩弧焊( g t a wg a s t u n g s t e na r cw e l d i n g ) 和电子束焊( e b we 1 e c t r i c b e a mw e l d i n g ) 这= 种 熔焊方法上。在f e 。a 1 合金的电子束焊焊接试验中几乎没有发现过冷裂纹。8 3 ”， 这主要是由于电子束焊是一种在真空中进行的高能密度焊接方法，焊后焊缝狭 窄热影响区小，使得焊后变形小，残余应力也小；焊缝组织为明显的柱状晶， 晶粒组织较钨极氩弧焊焊缝明显细化；因为在真空环境下，完全避免了空气的 侵入，杜绝了焊缝中扩散氢的一个来源。o r n l 实验室用这种方法己成功焊成了 0 7 6 m m 厚的f e 。a 1 合金。经过测定，焊速对焊接影响很大，焊速越大，开裂倾 向越大。线输入能量是影响焊接性的重要因素。在保证焊透的情况下，适当降 低线输入能量是有益的。 相比之下，在采用药皮焊条手弧焊( s m a ws h i e l d e dp e t a la r cw e l d i n g ) 或钨极氩弧焊焊接f e 。a 1 合金时有更重要的工程意义，但比较容易出现冷裂纹 “】，对焊速和焊接线能量的要求更严格。 d a y i d 和m c k a m e r y n ”等对0 7 6 m m 厚的f e 3 a 1 合金薄板焊接时发现在电压为 9 5 v 、电流为3 5 7 5 a 情况下，当焊速超过2 5 4 m m s 后，几种材料几乎都没 有焊成。这其中致裂因素很大一部分是由于这二种焊接方法均可能使接头区及 热影响区( h a zh e a ta f f e c t e dz o n e ) 滞留较多的扩散氢，当扩散氢含量高于 临界氢含量时，就可能会生成冷裂纹。另外，对于药皮焊条手弧焊来说，焊条 药皮中的有机物在高温电弧下所分解的原子氢是接头扩散氢的一个重要来源。 对于钨极氩弧焊而言，尽管在焊接过程中用氩气对焊接熔池区域进行保护，但 难以完全杜绝电弧周围的空气侵入熔池，空气中的水汽除了在高温下分解出原 子氢外，还能直接与熔池中a 1 反应生成原子氢，从而成为扩散氢的来源。 高德春“耵等人分别采用电子束( e b w ) 及钨极氩弧焊( g t a ) 两种方法对f e a 1 合金薄板试板进行了焊接实验。结果表明，用e b w 方法可以成功得到无裂 纹与缺陷的f e - a 1 合金焊缝；而对于g t a 方法，需要采用预热及焊后缓冷工艺 方法可有效地组织延迟裂纹的产生，选择中低碳c r m o 钢焊丝作填充材料，使 f e 3 a l 基合金具有较好的焊接性。同种材料、同种焊丝，在保证焊透的情况下， 减小焊接电流和热输入，有利于提高材料的抗裂性能。 在不同焊接方法或工艺条件下，还会存在其它焊接性问题。如在进行闪光 对焊的试验研究中“”，虽然能形成接头，但接头的拉伸断裂强度很低，通过扫 描分析发现，接头处残留氧化物夹杂，且断口具有解理断裂形貌特征，这是由 于