（材料加工工程专业论文）fe3al与高温耐热合金的钎焊性能研究.pdf

f e 3 a l 与高温耐热合金的钎焊性能研究 摘要 f e 3 a l 金属间化合物以其高温耐磨、耐蚀、抗氧化、抗硫化等优异性能而 受到关注，但其低劣的熔焊性能极大地限制了它在工程结构中应用。本文分析 综述了f e 3 a l 合金焊接问题及相关研究现状，内容包括钨极氩弧焊、电子束焊、 药皮焊条手弧焊、堆焊、扩散焊、钎焊等。 本课题以f e 3 a l 合金潜在的工程应用为背景，试验研究用钎焊方法将f e 3 a l 合金与普通高温耐热合金连接起来，探索将其优异的高温耐磨耐蚀性能叠加到 普通高温耐热合金上，以充分发挥它们在性能上的优势互补。试验研究内容包 括：真空钎焊与火焰钎焊试验，焊后热处理的影响；利用金相显微镜、扫描电 子显微镜、显微硬度计、万能拉伸试验机等测试手段，对焊接接头的微观组织 结构、钎缝接头区的物相成份、显微硬度、接头剪切强度等进行分析。探讨f e 3 a l 合金与t 9 1 耐热钢、18 8 不锈钢接头中产生宏观缺陷和微观缺陷的原因和预防 措施。 研究结果表明：普通钎料对f e 3 a l 合金及高温合金具有良好的润湿性，用 钎焊实现f e 3 a 1 合金的连接是很有希望的途径，在焊接工艺参数选择合理的情 况下，真空钎焊与火焰钎焊均可以得到较为完整的钎焊接头。 接头区域有明显的扩散反应区并且在f e 3 a l 合金一侧扩散区较宽；真空钎焊 中采用铜基钎料钎焊时在f e 3 a l 合金一侧出现c u 的晶间扩散，在高温合金一侧能 形成c u f e 固溶体，结合较好；采用银基钎料能得到良好的f e 3 a 1 t 9 1 接头，但 该钎料对1 8 8 不锈钢润湿较差；采用镍基钎料的接头区，钎料组元与母材发生 深度的扩散反应，而且与18 8 不锈钢之间的扩散程度更大，呈现了良好的冶金 结合；对使用镍基钎料的f e 3 a i 1 8 8 接头，经过1 0 0 0 c 1 小时的扩散热处理后接 头中脆硬相明显减少，组织较为均匀。 通过显微硬度及剪切试验，钎焊接头能满足通常载荷的工作要求，其中采 用镍基钎料的接头有较高的硬度和强度，表明其具有较好的高温性能，能充分 发挥f e 3 a l 合金的使用性能。 关键词：f e 3 a i 合金高温合金钎焊接头性能 t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nb r a z i n g p r o c e s so ff e 3 a ia n d h i g ht e m p e r a t u r eh e a t r e s i s t a n ta l l o y a b s t r a c t aw i d ea t t e n t i o no nf e 3 a li 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 r1 t ss p e c i a l p e r f o r m a n c es u c ha sr e s i s t i n gw e a r ，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 b e c a u s ei t s l o w - g r a d ef u s i o nw e l d i n gp e r f o r m a n c e ，i 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 c u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fw e l d i n go ff e 3 a 1a l l o yw e r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r ， i n c l u d i n gg a st u n g s t e na r cw e l d i n g ，e l e c t r o nb e a mw e l d i n g ，e l e c t r i ca r cw e l d i n g ， b e a dw e l d i n g ，d i f f u s i o nw e l d i n g ，b r a z i n gw e l d i n ga n ds 0o n r e g a r d i n gp o t e n t i a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ff e 3 a 1a l l o ya st h eb a c k g r o u n d i tc o n n e c t e df e 3 a ia n dh i g ht e m p e r a t u r eh e a t - r e s i s t a n ta l l o yw i t hb r a z i n gi nt h e e x p e r i m e n t ，a n dp r o b e di n t ot h er e s i s t a n c et ow e a r ，c o r r o s i o np e r f o r m a n c eo ff e 3 a i a d d i n gt oh i g ht e m p e r a t u r eh e a t r e s i s t a n ta l l o y ，w h i c ha d e q u a t e l yg a v ef u l lp l a yt o t h e i rs u p e r i o r i t y t h eg a sb r a z i n ga n dv a c u u mb r a z i n ga n dt h ei n f l u e n c eo fh e a t t r e a t m e n t t h em i c r o s t r u c t u r eo fj o i n tw a si n v e s t i g a t e dw i t ho p t i c a lm i c r o s c o p y ， v i c k e r s h a r d n e s sw a sm e a s u r e db yv i c k e r s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e db y s t a n d a r dt e n s i l et e s t so ns m a l l s c a l es p e c i m e n s ，a n dp h a s e ，c h e m i c a lc o m p o n e n t s w e r e a n a l y z e db ys c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y t h e r e a s o nt h a t c a u s i n g m a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cd e f e c t s ，a n dt h ep r e v e n t i o nm e a s u r ei nt h eb r a z i n g p r o c e s so f j o i n t sw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m o ns o l d e rh a v eag o o dw e t t a b i l i t y , b r a z i n gi sa h o p e f u lm e t h o df o rw e l d i n gf e 3 a 1a l l o y t h ej o i n t sw i t hg o o ds u r f a c ec a n b eg a i n e d u n d e r p r o p e rm a t c h i n go fw e l d i n gp a r a m e t e r si ng a sb r a z i n ga n dv a c u u mb r a z i n g t h ejo i n t sh a v eac l e a rz o n eo fd i f f u s i o nr e a c t i o na n dl a r g e ri nt h ef e 3 a 1a l l o y z o n e t h ei n t e r g r a n u l a rp e n e t r a t i o no fc ua p p e a r e do no n es i d eo ff e 3 a ia l l o yw h e n v a c u u mb r a z i n gu s e dc o p p e rs o l d e r d h et ot h ef o r m a t i o no fc u f es o s o l o i d ，i t s c o m b i n a t i o ni sb e t t e ro nt h es i d eo fh i g ht e m p e r a t u r ea l l o y t h ejo i n to ff e 3 a 1 t 91 h a v eg o o dp e r f o r m a n c ew h e nu s i n gs i l v e rs o l d e r , b u tt h i ss o l d e ri sb a dw e t t a b i l i t y f o r18 - 8s t a i n l e s ss t e e l i nt h ej o i n to fu s i n gb n i - 2 ，t h es o l d e ra n dt h eb a s em e t a l t o o kp l a c ed e e pd i f f u s i o nr e a c t i v i t y ，h a dg o o dc o m b i n e de f f e c t ，t h em o r ed i f f u s i o n l e v e lb e t w e e ns o l d e ra n d18 8s t a i n l e s ss t e e l a f t e r10 0 0 ，o n eh o u r sd i f f u s i o n t r e a t m e n t ，t h ej o i n to ff e 3 a i 18 - 8w h i c hu s i n gb n i - 2h a dl i t t l e b r i t t l ep h a s e ， h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r e t h ej o i n tc a nm e e tt h er e q u e s to fc o m m o nl o a db yv i c k e r s h a r d n e s sa n ds h e a r t e s t ，w i t hb n i 2h a dg o o dh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea si t sh i g hh a r d n e s s ， i n t e n s i t ya n dc a nb r i n gi n t op l a yf e 3 a ia l l o yu s e a b l ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：f e 3 a ia l l o y ；h i g ht e m p e r a t u r ea l l o y ； b r a z i n g ； j o i n tp r o p e r t i e s ； 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 一l o 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 15 图3 1 6 图3 1 7 图3 18 图4 1 图4 2 图4 3 插图清单 f e 3 a l 合金结构及局部相图1 气一液固界面示意图8 在平行板间液体的毛细作用1 0 g q y z l 1 2 0 0 型真空炉1 6 真空钎焊接头宏观照片1 9 火焰钎焊接头宏观照片2 0 抽真空曲线2 3 f e 3 a 1 t 9 1 真空钎焊接头2 8 f e 3 a i t 9 1 火焰钎焊接头2 9 f e 3 a i 1 8 _ 8 真空钎焊接头3 0 f e 3 a 1 1 8 - 8 火焰钎焊接头3 1 b n i 2 钎料f e 3 a i 1 8 8 真空钎焊接头3 2 b n i 2 钎料真空钎焊接头3 4 b a 9 5 0 c u z n 钎料火焰钎焊接头3 5 b a 9 7 2 c u 钎料真空钎焊f e 3 a 1 1 8 8 接头3 6 f e 3 a 1 t 9 1 接头扫描图谱( b n i 一2 ) 3 7 f e 3 a 1 t 9 1 接头扫描图谱( b a 9 5 0 c u z n ) 3 8 f e 3 a 1 t 9 1 接头颗粒物扫描图谱( b a 9 5 0 c u z n ) 。3 9 f e a a l 1 8 - 8 接头扫描图谱( b a 9 7 2 c u ) 3 9 f e 3 a 1 1 8 8 焊缝中心颗粒物扫描图谱( b a 9 7 2 c u ) 4 0 f e 3 a i 1 8 - 8 接头扫描图谱( b a 9 5 0 c u z n ) 4 1 f e 3 a l 扩散区扫描谱图一4 2 f e 3 a 1 t 9 1 接头硬度曲线4 6 f e 3 a i 1 8 - 8 接头硬度曲线4 6 剪切试样装配图4 7 表格清单 表1 1几种合金的抗氧化性能的对比2 表2 1各种钎焊方法的优缺点及适用范围1 2 表2 2f e 3 a l 合金的化学成分及力学性能1 3 表2 3t 9 l 耐热钢化学成分( 质量分数) 1 3 表2 4 18 8 不锈钢化学成分及力学性能13 表2 5试验钎焊材料的化学成分和熔点1 4 表2 6 试样的工艺参数17 表3 1钎缝常见外观缺陷分析2 2 表3 2冷却气体纯度标准2 4 表3 3 常用金属组件推荐加热速率值m i n ) 2 5 表3 4显示显微组织的侵蚀剂：2 7 表3 5 f e 3 a 1 t 9 1 接头元素分布( b n i 2 ) 一3 7 表3 - 6 f e 3 a 1 t 9 1 接头元素分布( b a 9 5 0 c u z n ) 3 8 表3 7 f e 3 a 1 t 9 1 焊缝中颗粒物元素分布( b a 9 5 0 c u z n l 3 9 表3 8f e 3 a 1 1 8 - 8 接头元素分布( b a 9 7 2 c u ) 4 0 表3 - 9f e 3 a 1 1 8 - 8 焊缝中心颗粒物元素分布( b a 9 7 2 c u ) 一4 0 表3 1 0f e 3 a 1 1 8 - 8 接头元素分布( b a 9 5 0 c u z n ) 一4 1 表3 1lf e 3 a 1 扩散区元素分布4 2 表4 1试样剪切试验结果4 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注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒目巴：! ：些太堂或其它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。 学位论文作者签名： ? 岳盘签字日期：巧年朔，苦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金日巴工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：l 乇盎 签字日期：沙邓年4 月f g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 防缓c 衫辚 纠年归汐日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师徐道荣副教授的悉心指导与关怀下完成的。导师严谨的治学 态度、渊博的学识、敏锐的科学思维、大胆创新的科学精神以及无私奉献的高 尚情操、乐观大度的生活态度令学生终生难忘。三年来，徐老师不仅在学业上 给予我极大的指导和教诲，而且在生活上给我无微不至的关怀和帮助；不仅传 授科研治学的的思路和方法，更注重教导为人处世的道德和原则。值此论文完 成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢。 三年的硕士学习，让我不但在专业理论知识上有所收获，更在人际关系、 为人处世上学到了很多东西。这些收获来自于关心指导我的老师，来自于一直 关爱支持我学习的家人和亲友，来自于实验室的各位研究生同学，来自于所有 一同努力一同成长的朋友。 论文工作期间，我还要特别感谢焊接教研室的李萌盛副教授，感谢她在研 究工作中的热情指导和提出的宝贵建议。同时对焊接教研室的其他老师一并表 示真诚的感谢，此外，还要感谢材料学院金相实验室的各位老师在试验过程中 给予的大力的支持，正是有了他们的指导和帮助，我的试验才能顺利完成。最 后感谢在研究生学习期间给予支持和帮助的朋友。 在毕业之际，对所有关心和陪伴我的老师与朋友的祝福是无法用简简单单 的几句话能表达的，此时无声胜有声，祝愿大家快乐、健康、平安 作者：张焘 2 0 0 9 年3 月 第一章f e 3 a l 合金及其焊接概况 1 1 f e 3 a 1 合金及其发展应用 1 1 1f e 3 a 1 合金概述 f e ，a l 合金是长程有序金属间化合物，所谓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间化合物为基体，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。近一二十年来，金属间化合物，尤其 是具有超结构的金属间化合物作为新型材料得到了日益广泛的研究和开发，特 别是用作高温结构材料的有序金属间化合物，具有许多良好的力学性能和抗氧 化性、耐蚀性以及比强度高等特性【2 j 。 ( a ) d 0 3( b ) f e 3 a i 局部相图 图1 - 1f e 3 a l 合金结构及局部相图 f e a l 系金属间化合物与n i a l 、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【3 t 引。 目前在f e a l 合金中，由于f e 3 a l 的应用潜力最大，因而有关的研究报道 最丰富。f e 3 a l 合金为d 0 3 型结构，属面心立方结构，如图1 1 ( a ) p6 j 所示。f e 3 a i 的化学计量成分为2 5 a t ，其局部相图如1 1 ( b ) 瞪6 1 ( 图中实线表示平衡相图， 虚线表示亚稳相图) 。由图可知f e 3 a l 为单相区，a l 含量有较宽的范围。 1 。1 2f e 3 a l 合金性能特点 ( 1 ) f e 3 a l 合金的抗氧化性能 目前的研究已表明f e 3 a l 合金的高温抗氧化性能优于大多数的碳钢、合金 钢、不锈钢、高温合金、电热合金及耐热钢中的抗氧化钢。表1 1 比较了f e 3 a 1 与不锈钢1 c r l 3 、铁素体抗氧化钢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 。c 下的氧化增重率7 1 。究其原因，普遍认为【8 】：f e 3 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 i 合金表面能够形成一层厚度 极薄、结构致密、生长缓慢的0 【a 1 2 0 3 膜，从而阻止内部金属氧化。而大多数 合金抗氧化性能源自表面形成一层致密的c r 2 0 3 ，s i 0 2 或0 【a 1 2 0 3 ，其中o 【a 1 2 0 3 最具保护性。对于f e a l 二元合金，要形成致密的a a 1 2 0 3 膜，a l 含量必须超 过1 4 ，可以看出f e 3 a l 中含量远远超过这一临界值，能够保持优异的抗氧化 性能。 表1 1 几种合金的抗氧化性能的对比 比较合金f e 3 a i 1 c r l 31 c r l 3 s i a l1 c r 2 3 n i l 8 9 5 04 c 下的氧化增重率 0 0 0 2 51 3 40 0 0 40 0 0 2 ( m g c m 2 - h ) ( 2 ) f e 3 a 1 合金的抗硫蚀性能 在硫气氛中，f e 3 a l 合金表现出高的抗硫蚀性能，这是因为：表面膜a 1 2 0 3 的稳定性好；a 1 与f e 或c r 相比其与硫的反应速度更慢；a 1 2 s 3 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，并在表面即使在高温下也 生长缓慢的保护性硫化膜，阻碍了内部金属的进一步腐蚀【9 】。 ( 3 ) f e 3 a 1 合金的电热性能和耐磨性能 据研究，f e 3 a l 合金具有比常用的电热合金更高的电阻率，其室温电阻率 是n i c r 电热材料的1 8 倍，是f e c r a l 电热材料的1 5 倍【1 0 】。同时f e 3 a l 合 金由于昂贵的战略性元素c r 、n i 等含量极少，工业化生产成本大大下降。特别 是与抗高温氧化性能相结合，使它有望发展成为新一代的电热材料【1 1 1 。 f e 3 a l 硬度相对较低，但由于其加工硬化速率高，仍有很高的耐磨性，表 面经过氮化处理硬度会更高。试验表明：f e 3 a 1 的耐磨性比c r l 3 还要好，是潜 在的耐磨材料婵】。 ( 4 ) f e 3 a 1 合金的性能弱点 尽管f e a l 金属间化合物具有许多的优点，但室温脆性和高温强度偏低一 直是阻碍其实际应用的主要障碍。对其脆性，既有本征脆性，又有环境脆性。 本征脆性是指由f e a 1 金属间化合物的电子结构、晶体结构、位错运动特征带 来的固有的脆性。环境脆性是指与一定的含水汽的环境相互作用下导致的脆性。 有序f e 3 a 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 来自两个方面：一方面是超位错滑移，由于a p b 的作用，不容易发生交滑移， 第二方面是 10 0 ) 解理面具有较低的断裂应力【l2 1 。研究者通过在不同的气氛下 的拉伸试验【l3 】表明：空气中的水是诱导氢脆的主要原因。首先，水气在表面吸 附，吸附的水汽与活性元素原子a l 发生表面反应： 2 a l + 3 h 2 0 a 1 2 0 3 + 6 h 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氢原子加速 2 裂纹扩展。 f e 3 a l 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 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【h 】：一种解释认为f e 3 a l 屈服强度的增加是由于3 0 0 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 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 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 1 3f e 3 a l 合金的发展及应用 f e 3 a l 合金兼有陶瓷和金属的特性，密度小，强度高，耐腐蚀，抗高温氧 化，耐磨损，在低于6 0 0 的温度下，f e 3 a l 的屈服强度随温度的升高而提高， 具备作为高温结构材料的一系列性能特征。从2 0 世纪3 0 年代起，材料科学界 就开始了对f e 3 a 1 合金的研究，在对f e 3 a l 的力学性能、腐蚀行为以及组织结 构和相关相变过程的研究上取得了许多具有科学意义的成果，但由于其室温脆 性和温度超过6 0 0 后材料强度急剧下降这两个致命弱点，使得f e 3 a l 未能作 为结构材料在工业中得到广泛实际应用。2 0 世纪7 0 年代，研究人员在克服n i 3 a i 的室温脆性上取得了重大突破，这给了f e 3 a l 材料的研究一大启示，为f e 3 a l 合金的研究注入了强劲的活力【l5 。8 0 年代后期至今，研究人员对f e 3 a 1 合金的 反常屈服行为、合金成分的理论设计、微合金化对f e 3 a l 性能的影响、f e 3 a 1 合金的制备工艺等方面进行了较全面的研究【l6 。2 3 】。以美国橡树岭国家实验室为 代表的西方研究机构在揭示f e 3 a l 的环境氢脆机制和改善室温脆性等方面取得 了重要进展，开发出的f e 3 a l 合金不仅有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其 室温延伸率可达1 2 8 【2 4 】，采用快速凝固工艺制粉、热挤压固结的f e 3 a l 合金， 其室温延伸率高达1 5 2 0 ，抗拉强度高达9 6 0 m p a ，有力的推动了f e 3 a 1 的实 用化进程【l o 】。在我国，从8 0 年代到9 0 年代中期，国家科委和有关部门先后把 f e 3 a l 金属间化合物的研究列入“8 6 3 ”计划和一系列研究基金计划，使f e 3 a 1 金 属间化合物的基础性研究有了长足进展【25 2 6 】。由于其特殊的使用性能，该材料 已在航空、化工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得广 泛应用【2 7 1 。 目前国内外有关制备f e 3 a 1 合金的报道中主要包括【28 j ：真空感应熔炼法、 粉末冶金法、等离子电弧熔炼法、电渣重熔法等，铸锭或铸件的制备一般采用 真空熔炼或惰性气体保护下电弧炉熔炼。最近的研究表明，已经开发出可以在 普通大气气氛中批量生产的大容量感应熔炼和电渣重熔工艺，可以制各10 0 k g 以上的大型铸锭和铸件。采用粉末烧结法可以制备f e 3 a l 多孔材料，烧结温度等 工艺参数是影响多孔材料力学强度、过滤性能的主要因素。f e 3 a l 多孔材料具有 良好的抗拉强度、渗透特性和耐腐蚀性能，、解决了陶瓷过滤材料抗热震性能不 好，可靠性不高等i ；1 题【2 9 1 。王灿明等【3 0 1 采用热喷涂的方法，在q 2 3 5 钢基体上 制备出f e 3 a l 金属间化合物与w c 的混合涂层，并对涂层组织与性能进行了分析， 发现这类复合涂层组织致密，硬度较高，具有良好的耐磨性能，这种制备方法 是将材料的高温耐腐蚀性能和高温强度分开来考虑的，高温强度由基体材料来 承担，高温下的腐蚀和磨损由f e 3 a l 金属间化合物涂层来防护，该制备方法在一 定程度上有效地解决了f e 3 a l 材料脆性大的问题，从而扩展了f e 3 a 1 金属间化合 物材料的应用范围。 ， 长期以来，f e 3 a l 金属间化合物以其优异的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能 得到了广泛的应用。例如化工行业里用的道轨、纺织工业里烘箱的加热棒以及 耐热炉体、底板等。f e 3 a l 基合金是一种很好的刹车材料，刘英才等1 3 i j 通过机 械化结合热压烧结法制备了一种新型的f e 3 a 1 一c u 基刹车材料，相比普通的f e 基刹车材料，前者密度小、强度高，c u 含量为1 2 18 时摩擦系数高，而且稳 定，耐磨性好，此时的摩擦系数为0 5 0 5 5 。f e 3 a l 基合金还是一种很好的抗热 震性能材料，通过向a 1 2 0 3 陶瓷基体中加入一定量f e 3 a l ，采用热压烧结制备 f e 3 a i ( p ) a 1 2 0 3 复合材料能使其抗热震性能得到显著的改善，热震临界温差a t e 由单相的2 0 0 提高至复合材料的4 0 0 ，复合材料比单相的a 1 2 0 3 断裂韧性高， 导热率高，弹性模量相当，是一种很好的陶瓷材料【32 1 。此外，f e 3 a l 金属间化 合物还被广泛应用于一些别的邻域，比如作为软磁材料和高温涂层材料等。 x a m i l s 【3 3 】等在最近的研究中发现，经研磨和退火处理的具有纳米结构的f e 3 a l 合金具有十分特殊的磁性能，有希望被广泛应用于软磁材料。近些年来，将f e 3 a 1 合金作为高速喷涂材料应用于一些军事及大型民用工程邻域也取得了显著的成 绩。朱子新等【3 4 】采用滑动磨损试验方法，研究了从室温至6 5 0 高速电弧喷涂 f e 3 a l 金属间化合物涂层的摩擦氧化行为，发现高温下f e 3 a 1 固体涂层在摩擦过 程中形成了一层保护层，并且f e 3 a l 金属间化合物在高温下具有较高的强度和硬 度，因此能够有效地抵抗高温磨损和高温氧化，高速电弧喷涂f e 3 a 1 金属间化合 物所得的涂层质量高，综合性能十分优越。 随着对f e 3 a l 金属间化合物不断深入的研究，f e 3 a l 基合金作为高温结构材 料和功能材料将得到更广泛的应用。 1 2f e 3 a i 合金的焊接 1 2 1f e 3 a 1 合金的焊接特点 焊接是作为结构材料推广应用的关键工艺，f e 3 a l 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 3 a l 基合金焊接工艺的研究还处于起步阶段， 己开展的工作有氩弧焊、手工堆焊、电子束焊、扩散焊、钎焊等方法。因此， 欲更好更合理地应用f e 3 a l 合金，必须了解它的焊接性能特点，根据其用途的 不同而选择合适的焊接工艺。 4 研究表明，f e 3 a l 合金的熔焊性能比较差，在焊接时容易出现以下问题： ( 1 ) 焊接冷裂纹 f e 3 a l 合金对水汽等含有氢的介质易产生焊接冷裂纹( 氢致开裂) ，产生冷裂 纹有三大因素【3 5 】，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) 。 ( 2 ) 焊接热裂纹 f e 3 a l 合金因为较高的膨胀系数和较低的热导率等因素而易发生焊接热裂 纹。成因可归结为两方面因素【3 引，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。 一( 3 ) 气孔、夹渣及氧化 这主要是出现在钎焊接头中。当加热温度过高时，造成钎缝氧化及焊料成 分的严重烧损；而加热温度偏低，则钎料流动性不好，形成虚焊，且焊缝内留 有大量气孔和夹渣，以至严重降低焊缝强度。 1 2 2f e 3 a l 合金的焊接性研究现状 研究人员在f e 3 a l 合金的冷裂纹试验研究中主要集中在钨极氩弧焊和电子 束焊这二种熔焊方法上。在f e 3 a l 合金的电子束焊焊接试验中几乎没有发现过 冷裂纹【3 6 , 3 7 1 ，因为电子束焊是一种在真空中进行的高能密度焊接方法，完全避 免了空气的侵入，杜绝了焊缝中扩散氢的一个来源。此外，电子束能量集中， 焊缝和热影响区十分窄小，焊后变形及残余应力小，因此，可以确信在电子束 焊中，只要在焊前将焊件仔细清理干净，就不会产生焊接冷裂纹。 相比之下，在采用药皮焊条手弧焊或钨极氩弧焊焊接f e 3 a l 合金时有更重 要的工程意义，但比较容易出现冷裂纹f 3 8 , 3 9 】，对焊速和焊接线能量的要求更严 格。d a v i d 和m c k a m e r y 4 0 】等对o 7 6 m m 厚的f e 3 a l 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 没有焊接成功。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 l 反应生成原子氢，从而成为扩散氢的来源。 高德春【4 1 】等人分别采用电子束及钨极氩弧焊两种方法对f e a l 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 l 5 合金焊缝；而对于g t a w 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【4 2 1 ，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i = 1 具有解理断裂形貌特征，这是由 于闪光对焊在顶煅时顶煅力不足而未能将端面上燃烧产生的氧化物完全挤出所 导致的。如果增大顶煅力又会由于母材本身的脆性大而造成母材受到损伤，因 而不宜采用。所以对于f e 3 a l 合金而言，目前用闪光对焊方法进行焊接的效果 并不理想。基于充分发挥f e 3 a l 合金优异的高温抗氧化、抗硫蚀及耐磨性能的 优势，有研究者【”】在3 0 4 型奥氏体不锈钢基体上用堆焊方法( 药皮焊条手工焊 或填丝的钨极氩弧焊) 制作f e 3 a l 合金层，这种堆焊实际上属于异种材料的焊 接，试验中发现除了堆焊层和熔合区的开裂问题外，还有基体对熔敷层的稀释 问题，因此难以得到性能理想的堆焊层，并且堆焊层及其熔合区的开裂兼有冷 裂和热裂特征，这些焊接缺陷可以通过基体的预热、提高热输入及加强焊区保 护等来减轻，甚至完全避免。而基体对熔敷层的稀释问题，通过降低热输入( 小 电流快速堆焊) ，以减小熔池及其流动性，削弱基体对熔敷金属的稀释作用，而 这与防止开裂的措施又是矛盾的。因此在堆焊中只有选择适当的热输入和熔敷 层厚度来协调这两方面的利害关系，才有可能获得理想的堆焊层，这在实际构 件的堆焊中已得到成功的运用。 在采用真空扩散焊方法进行f e 3 a i 合金与碳素钢q 2 3 5 以及与1 8 8 不锈钢 的焊接的试验研究中【4 3 t 4 4 “5 1 ，出现的主要问题是难以得到微观组织结构均匀 过渡的扩散结合区，在界面区往往容易出现高硬度脆性相，导致接头区的力学 性能恶化。分析认为，该问题的出现与f e 3 a l 金属问化合物的晶体结构有关， 因为这类化合物的组成元素是长程有序排列，在金属键外还形成一部分共价键， 原子间金属键与共价键共存，结合力很强，从而约束了原子的扩散迁移能力， 大大降低扩散速度。所以要获得良好结合性能的接头，唯有采用高的工艺参数， 即高温高压长时间。例如试验中，当选择加热温度1 0 5 0 1 1 0 0 、压力9 0 m p a 、 保温时间不少于6 0 m i n 时，可以得到较为理想的接头，但如此苛刻的焊接条件 不仅成本高、效率低，而且在结构稍加复杂的构件上就难以实现，因此不宜在 工程上推广使用。 张伟伟【4 6 】等人分别采用铜基钎料及工业纯铝10 6 0 ( l 2 ) 作中间层在空气炉 中进行f e 3 a l 合金的钎焊试验。试验结果表明：采用铜基钎料钎焊f e 3 a 1 1 8 8 钢试样，钎料对母材的润湿性良好，但在f e 3 a 1 一侧出现c u 的晶间渗入现象及 微裂纹；采用纯铝箔作中间层钎焊f e 3 a i 合金，接头区域有明显的扩散反应区， 6 通过对接头区的显微硬度进行测定，并结合x 射线衍射分析结果，发现在接头 处有高硬度的脆性相( f e 2 a 1 5 ) 生成，可以探索采用长时间的高温扩散处理方法 来使接头区的成分均匀化，从而消除或减少脆硬相，达到改善接头性能的目的； 合适的钎料和工艺参数对于保证f e 3 a l 合金的钎焊接头性能是至关重要的。 1 3 本课题研究内容和意义 f e 3 a 1 基合金是应用前景很好的材料，其高温强度、高温抗氧化性能和耐 磨耐蚀性能优异( 远优于奥氏体不锈钢) ，同时合金的密度低、比强度高，而且 合金中主要元素是铁和铝，价格低廉，不像高温合金或不锈钢那样含有大量昂 贵的且具有战略意义的元素( 如c o 、n i 、m o ) ，因而在价格上具有优势。焊接 是作为结构材料推广应用的关键工艺，目前关于f e 3 a l 基合金焊接问题的研究 还很有限，而且其熔焊性能较差，主要问题是对水汽等含有氢的介质易产生焊 接冷裂纹( 氢致开裂) ，此外还因较高的膨胀系数和较低的热导率等因素而易发 生焊接热裂纹，离实际应用的要求还有相当大的差距，因此，开展f e 3 a l 合金 的焊接性研究具有重大的理论和实践意义。 钎焊作为一种重要焊接方法，其特点是加热温度低，对母材组织影响小， 可实现异种金属或合金，金属与非金属的连接，近年来得到广泛的应用。由于 钎焊时母材不熔化，采用钎焊方法可以避免焊接材料在熔焊中可能出现的问题。 本课题是以企业的应用需求为背景，针对f e 3 a l 基合金熔焊性能差等问题 开展钎焊研究。分别取f e 3 a l 合金与18 8 不锈钢、f e 3 a i 合金与t 9 1 耐热钢的 钎焊为研究对象，以实用为目的，开展以下试验研究内容： ( 1 ) 钎焊工艺试验 采用炉中钎焊方法进行试验，包括钎料、钎剂的选择和焊后热处理工艺的 试验。此外还进行燃气火焰钎焊，以便对比两种钎焊方法的工艺差别对接头组 织结构及性能的影响。 ( 2 ) 接头的性能试验 运用金相显微镜、材料万能试验机、显微硬度计、扫描电子显微镜、能谱 测量仪等仪器对不同焊接规范和方法下所得到的焊接接头的表面成形、微观组 织、力学性能以及接头区物相组成进行相应的观察和测试，对接头的综合性能 进行评价，评估试验的结果。 ( 3 ) 焊接缺陷分析 对钎焊接头中可能出现的裂纹、未钎透、夹杂物及脆性相等钎焊缺陷进行 分析，找出可能导致缺陷出现的各种原因，并能够在分析的基础上提出相应的 预防和弥补措施。 本课题希望通过上述试验以及试验所得出的结果，为f e 3 a 1 合金及耐热合 金的钎焊工艺提供基本的理论和实践依据，为f e a a i 合金在工业上更广泛的应 用提供有益参考。 第二章钎焊工艺试验 本课题采用钎焊方法分别对f e 3 a l 合金和1 8 8 不锈钢、f e a a i 合金和t 9 1 耐热钢进行焊接试验，通过火焰钎焊和真空炉中钎焊两种方法，比较两种情况 下的焊接接头性能，利用金相显微镜、金属拉伸试验机、显微硬度计、扫描电 子显微镜、能谱测量仪等试验测试手段对接头的组织和力学性能进行测试分析， 考察钎焊的钎缝成形及接头质量的影响因素，提出相应的改善方法，为优化 f e 3 a l 合金的钎焊工艺参数提供实践依据和理论基础。 2 1 钎焊技术 钎焊是人类最早使用的连接方法之一。早在几千年前，人类就开始使用钎 焊来连接金器首饰以及一些日常用品。但是在很长的历史时期中，钎焊技术没 有得到大的发展。直至2 0 世纪3 0 年代，随着科学技术的进步，钎焊技术有了 长足的发展，并在各工业部门，特别是在机电，电子，仪表及航空工业中起着 越来越重要的作用，已成为一种不可取代的工艺方法1 4 7 。 2 1 1 钎焊原理 钎焊是采用比母材熔点低的金属