5052铝合金和304不锈钢摩擦焊接接头的非晶化.docVIP

PAGE  PAGE \* MERGEFORMAT6 5052铝合金和304不锈钢摩擦焊接接头的非晶化 关键词：摩擦焊，铝，不锈钢，非晶化，界面 0. 简介 像铝和不锈钢，异种金属的结合是一个非常重要的技术。Al-Fe系在熔焊的情况下，金属间脆性化合物的过剩形成会降低接头强度。由于摩擦焊接是固态焊接过程之一，因此在焊接接口很少有金属间化合物形成。然而，由于在Al-Fe系中，固体溶解度几乎为零，所以会有一些金属间化合物在摩擦焊接中形成。Sundaresan等人报告称，在纯铝同奥氏体不锈钢焊接时，Fe2Al5和FeAl3将在摩擦焊接接口形成[1]。而本文作者报告称，有Fe2Al5、Fe3Al和FeAl形成[2]，作者还报告称，Fe2Al5在A6061铝合金同304不锈钢的摩擦焊接产生的界面形成[3]。在纯铝同碳钢摩擦焊接界面还发现了Fe4Al13和Fe2Al5[4]。摩擦焊接机理是扩散状及反应产物可能会在低于铝铁共晶温度（925K）下形成，即在固体状态下形成[2, 4, 5]。然而，不同的金属间的机械混合物在摩擦阶段和反应产物的关系还没有得到阐明。 在本研究中，使用高分辨透射电子显微镜观察和摩擦焊接机理对铝镁合金和奥氏体不锈钢摩擦焊接接头的微观组织进行研究。 实验步骤 使用直径为18mm的铝镁合金（5052型）和奥氏体不锈钢（304型）棒，其化学成分见表1，他们由无填充金属情况下的摩擦焊进行连接。整个实验使用制动型摩擦焊机，焊接参数均为以下值保持不变：转速（N）=40s-1；摩擦压力（P1）=50MPa；摩擦时间（t1）=2.0s；顶锻压力（P2）=150MPa；顶锻时间（t2）=6.0s。对摩擦焊接程序的进一步详情已在其他地方发表[6]。 表1 材料化学成分（质量％） 使用透射电镜（TEM）与能量色散谱（EDS）分析对摩擦焊接接头界面进行观察，TEM的观察是利用在200kV运行下的JEM-2010型显微镜完成。EDS分析使用的光束直径为3nm。透射电镜观察使用的样本是从接头处切割下来的直径为3mm盘状材料，并且机械打磨至厚度大约为100mm，用聚焦离子束（FIB）的方法，使该盘状材料减薄到几十毫米，并最后使用氩离子轰击的方法使其进一步减薄。 结果与讨论 摩擦焊接界面的TEM图像如图1所示。在不锈钢和铝合金之间的大约形成300nm的反应层，在反应层在两端也产生了堆积层。图1中线XX′上的各个元素的浓度如集图2所示。尽管仅反应了t1=2.0s的时间，元素还是发生了互扩散现象。在摩擦焊接的情况下，由于加载较高的轴向压力，焊接界面的空隙比扩散焊消失得更快。因此，除了高摩擦热，高的轴向压力协助着该组分分布的形成。 图1 摩擦焊接界面的TEM图像 图2 图1中线XX′上的各个元素的浓度 在反应层中心部位的组分介于Al-28at%(Fe, Cr, Ni) 和Al-42at%(Fe, Cr,N i)之间。图3显示了反应层的高分辨率透射电子显微镜照片，以及其衍射图谱，可以检测晕圈图谱和无定形结构变得可见。虽然Al-28at%(Fe, Cr, Ni)的组分几乎与Fe2Al5的相等，但是不能确定Al-Fe系摩擦焊焊接情况下形成的金属间化合物成分。不锈钢和非晶层之间堆积层区域如图4所示，A、B两层被堆叠在彼此顶部。这种结构是最有可能像一个机械合金化那样揉捏（滚动和折叠）产生的，后面将对其细节进行描述描述。图4中层B的灰层外观类似于如图1所示的非晶层。图5所示是这两个层的高分辨电子显微镜图像和会聚束电子衍射（CBED）图谱。一边是不锈钢，另外一边由CBED图谱分析，存在非晶质结构。此外，通过对图4中TEM–EDS的分析，每个Al-36at%(Fe,Cr,Ni)，也就是说，在界面处晶相和非晶相间是重叠交替和结构不连续变化的。虽然有报道称一些诸如Fe2Al5的金属间化合物在摩擦焊接接口处形成，非晶层和非晶与晶层的堆积层从来没有被发现。下面将讨论这个不寻常的结构是如何形成的。 图3 反应层的高分辨率透射电镜图及其衍射图谱 图4 不锈钢和非晶层之间堆积层区域 对多层薄膜材料的诸如快速凝固（RS）、机械合金化（MA）和固态反应（SSR）的一些过程中，进行退火处理，可用作生产非晶相的方法。由于摩擦焊是一种固态的过程中，因此在这次讨论中不包含RS过程。MA和SSR机理都适合于这种由于两摩擦焊接工件间猛烈的相互摩擦（40s-1)，进而在焊接界面发生机械混合，致使产生高温。有报道称非晶或准晶相的形成是通过对除Al/Fe 多层膜[9,10]的Al/Au、Au/Co、Al/Mn、Al/Mo、Al/Nb、Al/Ni、Al/Pd、Al/Pt、Al/Ru、Al/Ta和Al/Ti多层膜[7,8]进行离子束混合。然而，尚未见到除Al/Pt[11,