铝/钢双金属构件复合锻造成形界面演化机制研究
发布时间：2021-11-08 07:46
近年来,随着现代工业对高性能铝/钢复合构件的需求日益迫切,传统的镶嵌铸造、焊接等复合方式已无法满足其性能要求。铝/钢复合锻造成形是制备铝/钢复合构件的新方向,但是,铝、钢两种金属之间的物理性能和化学性能的差异导致这两种金属的冶金结合存在着诸多问题,限制了铝/钢异种金属构件更广泛的应用。因此,研究铝/钢复合成形构件的界面结合具有重要的理论价值和实际意义。本文通过对304不锈钢管和7075铝合金棒材进行镦粗成形实验,分析了成形工艺对复合构件界面结合的影响规律,以及热处理过程对界面的影响,最后揭示了界面演化机制,为实现铝/钢复合构件良好的冶金结合提供理论指导。首先从材料表面处理状态,成形温度以及变形量三个方面,研究了成形过程对界面的影响。通过对材料表面进行抛磨,超声清洗,添加镀层等措施对比研究了不同预处理方式对界面结合的影响,发现不锈钢中的Ni,Cr等合金元素具有防止材料加热过程中的氧化以及抑制金属间化合物生成的作用。探究改变钢套和铝芯的预处理温度对界面的影响规律时发现合理的预处理温度选择有助于界面的结合,一方面铝芯表层适量的熔化有助于润湿钢套表面实现更好的冶金结合;另一方面,合理的温度选择...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝/钢复合锻造工艺示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-前去除铝氧化膜，但在加热和转移过程中又被重新氧化，难以获得冶金结合界面[4]，在铝/钢复合构件的潜在应用领域，如服役环境温差大的航天构件和承受较大交变载荷的汽车传动件等，均须通过稳固的冶金结合界面保证复合构件的服役可靠性（一般认为化合物层厚度＜10μm时，界面的结合强度与铝基体相当）。因此，若开发出新型的铝/钢复合锻造成形技术，实现铝/钢双金属协调变形和界面可靠冶金结合，将钢的高性能优势和铝的轻量化优势有效集成，在汽车工业、兵器装备、特别是航空航天等对重量要求高的领域将具有极大的发展前景和应用空间。本课题提出铝/钢双金属构件触变软芯复合锻造成形技术，技术思想如图1-2所示，重点研究的方向是热塑态钢质层与半固态铝芯协调变形过程中界面形成机制，部分液相和界面结构变形耦合作用下的冶金界面形成机理。通过本课题的研究，实现铝/钢双金属构件界面可靠的冶金结合，将钢的高性能优势和铝合金轻量化优势有效集成，具有重要的理论价值和实际应用意义。图1-2铝/钢双金属构件触变软芯复合锻造成形技术示意图1.2研究现状1.2.1铝钢异种金属结合性异种材料的结合性主要是由材料的物理性能和化学性能决定的，理论上来说，两种金属只要是在熔化状态下能够相互形成共晶或固溶体，原则上都可以实现连接。当两种金属的物理性能和化学性能比较接近时，能够相互溶解形成
硕士学位论文-5-1.2.3铝钢液相连接熔化焊具有操作简便，实用性强等方面优势，但对于铝钢异种材料的连接，常规的熔化焊并不能直接适用。因为熔化焊通常具有较高的热输入，熔化的铝和熔化的钢会迅速生成大量的金属间化合物，严重影响界面的结合性能，难以实现可靠的冶金结合。当前采用熔化焊的方式对铝钢异种材料连接时，最重要的是控制焊接热输入，尽量的降低焊接热输入，使得界面结合时铝熔化而钢只是微量的熔化，熔化的铝液铺展到钢表面，增大润湿效果的同时，也实现了较好的冶金结合，此种焊接方式也成为熔钎焊，如图1-3所示[14]。图1-3铝合金/钢熔钎焊示意图[14]Song等人[15]研究了5A06和SUS321不锈钢的TIG熔钎焊技术，Al-Si液态填充金属包覆的钢接头表面，形成一个完美的钎焊缝。由于温度的差异，不同位置的界面层厚度在5μm到35μm不等。界面层为三个不同成分的区域组成，从焊缝到不锈钢，第一层为Al7Fe2Si相，第二层为Fe2Al5相，第三层是FeSi2和Fe2Al5混合相。接头的平均抗拉强度达到了120MPa，断裂发生在界面层。该课题组还研究铝和Q235镀锌板的TIG熔钎焊，铝基钎料在镀锌板表面铺展良好，界面金属间化合物层的厚度＜10μm，对搭接接头进行力学性能测试，接头抗拉强度为90MPa，主要是由于搭接接头的焊根和焊趾处存在局部未焊合的缺陷，成为裂纹源，降低了抗拉强度[16]。英国学者Meco等人[17]研究了铝钢异种材料熔钎焊工艺，主要研究了工艺参数对界面金属间化合物形成的影响规律，采用功率为8kW的激光器实现了6mm厚铝合金和2mm厚的钢板的搭接焊，焊接过程中通过控制激光束的光斑直径来调整焊接热输入。研究显示，接头的力学性能与界面金属间化合物的厚度并不是简单的对应关系，还取决与铝在钢表面的铺展性?
【参考文献】：
期刊论文
[1]从热力学第二定律到热力学判据[J]. 刘兆阅. 教育教学论坛. 2018(20)
[2]铝/钢异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展[J]. 万龙,黄永宪,刘鑫,黄体方,吕宗亮,冯吉才. 焊接. 2018(01)
[3]铝/钢异种金属熔钎焊方法研究现状[J]. 李杰,黄健康,靳全胜. 电焊机. 2018(01)
[4]嵌入式铝/钢带材轧制复合铝层和钢层厚度的变化规律[J]. 王春阳,姜雁斌,谢建新,毛晓东,周德敬,张小军. 中国有色金属学报. 2017(04)
[5]铝钢复合板结合性能研究[J]. 黄杏利,薛治国,穆绪梅,谢刚. 兵器装备工程学报. 2016(05)
[6]铝/钢层状复合材料的研究开发及工业应用[J]. 李龙,周德敬. 金属世界. 2016(01)
[7]铝/钢异种金属小功率YAG激光焊接工艺[J]. 李玉龙,李鹤,赵诚. 应用激光. 2015(04)
[8]Q235钢/6061铝合金TLP扩散连接组织性能[J]. 赵丕峰,陈思杰. 热加工工艺. 2014(05)
[9]轧制复合铝/不锈钢界面金属间化合物的生长动力学[J]. 周德敬,尹林,张新明,唐建国,刘星兴. 中国有色金属学报. 2012(09)
[10]基于激光——MIG复合热源的5A02铝合金/镀锌钢熔——钎焊[J]. 雷振,秦国梁,林尚扬,王旭友. 机械工程学报. 2009(03)
博士论文
[1]铝合金/高强钢异种金属电阻点焊研究[D]. 张伟华.吉林大学 2011
本文编号：3483305
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝/钢复合锻造工艺示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-前去除铝氧化膜，但在加热和转移过程中又被重新氧化，难以获得冶金结合界面[4]，在铝/钢复合构件的潜在应用领域，如服役环境温差大的航天构件和承受较大交变载荷的汽车传动件等，均须通过稳固的冶金结合界面保证复合构件的服役可靠性（一般认为化合物层厚度＜10μm时，界面的结合强度与铝基体相当）。因此，若开发出新型的铝/钢复合锻造成形技术，实现铝/钢双金属协调变形和界面可靠冶金结合，将钢的高性能优势和铝的轻量化优势有效集成，在汽车工业、兵器装备、特别是航空航天等对重量要求高的领域将具有极大的发展前景和应用空间。本课题提出铝/钢双金属构件触变软芯复合锻造成形技术，技术思想如图1-2所示，重点研究的方向是热塑态钢质层与半固态铝芯协调变形过程中界面形成机制，部分液相和界面结构变形耦合作用下的冶金界面形成机理。通过本课题的研究，实现铝/钢双金属构件界面可靠的冶金结合，将钢的高性能优势和铝合金轻量化优势有效集成，具有重要的理论价值和实际应用意义。图1-2铝/钢双金属构件触变软芯复合锻造成形技术示意图1.2研究现状1.2.1铝钢异种金属结合性异种材料的结合性主要是由材料的物理性能和化学性能决定的，理论上来说，两种金属只要是在熔化状态下能够相互形成共晶或固溶体，原则上都可以实现连接。当两种金属的物理性能和化学性能比较接近时，能够相互溶解形成
硕士学位论文-5-1.2.3铝钢液相连接熔化焊具有操作简便，实用性强等方面优势，但对于铝钢异种材料的连接，常规的熔化焊并不能直接适用。因为熔化焊通常具有较高的热输入，熔化的铝和熔化的钢会迅速生成大量的金属间化合物，严重影响界面的结合性能，难以实现可靠的冶金结合。当前采用熔化焊的方式对铝钢异种材料连接时，最重要的是控制焊接热输入，尽量的降低焊接热输入，使得界面结合时铝熔化而钢只是微量的熔化，熔化的铝液铺展到钢表面，增大润湿效果的同时，也实现了较好的冶金结合，此种焊接方式也成为熔钎焊，如图1-3所示[14]。图1-3铝合金/钢熔钎焊示意图[14]Song等人[15]研究了5A06和SUS321不锈钢的TIG熔钎焊技术，Al-Si液态填充金属包覆的钢接头表面，形成一个完美的钎焊缝。由于温度的差异，不同位置的界面层厚度在5μm到35μm不等。界面层为三个不同成分的区域组成，从焊缝到不锈钢，第一层为Al7Fe2Si相，第二层为Fe2Al5相，第三层是FeSi2和Fe2Al5混合相。接头的平均抗拉强度达到了120MPa，断裂发生在界面层。该课题组还研究铝和Q235镀锌板的TIG熔钎焊，铝基钎料在镀锌板表面铺展良好，界面金属间化合物层的厚度＜10μm，对搭接接头进行力学性能测试，接头抗拉强度为90MPa，主要是由于搭接接头的焊根和焊趾处存在局部未焊合的缺陷，成为裂纹源，降低了抗拉强度[16]。英国学者Meco等人[17]研究了铝钢异种材料熔钎焊工艺，主要研究了工艺参数对界面金属间化合物形成的影响规律，采用功率为8kW的激光器实现了6mm厚铝合金和2mm厚的钢板的搭接焊，焊接过程中通过控制激光束的光斑直径来调整焊接热输入。研究显示，接头的力学性能与界面金属间化合物的厚度并不是简单的对应关系，还取决与铝在钢表面的铺展性?
【参考文献】：
期刊论文
[1]从热力学第二定律到热力学判据[J]. 刘兆阅. 教育教学论坛. 2018(20)
[2]铝/钢异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展[J]. 万龙,黄永宪,刘鑫,黄体方,吕宗亮,冯吉才. 焊接. 2018(01)
[3]铝/钢异种金属熔钎焊方法研究现状[J]. 李杰,黄健康,靳全胜. 电焊机. 2018(01)
[4]嵌入式铝/钢带材轧制复合铝层和钢层厚度的变化规律[J]. 王春阳,姜雁斌,谢建新,毛晓东,周德敬,张小军. 中国有色金属学报. 2017(04)
[5]铝钢复合板结合性能研究[J]. 黄杏利,薛治国,穆绪梅,谢刚. 兵器装备工程学报. 2016(05)
[6]铝/钢层状复合材料的研究开发及工业应用[J]. 李龙,周德敬. 金属世界. 2016(01)
[7]铝/钢异种金属小功率YAG激光焊接工艺[J]. 李玉龙,李鹤,赵诚. 应用激光. 2015(04)
[8]Q235钢/6061铝合金TLP扩散连接组织性能[J]. 赵丕峰,陈思杰. 热加工工艺. 2014(05)
[9]轧制复合铝/不锈钢界面金属间化合物的生长动力学[J]. 周德敬,尹林,张新明,唐建国,刘星兴. 中国有色金属学报. 2012(09)
[10]基于激光——MIG复合热源的5A02铝合金/镀锌钢熔——钎焊[J]. 雷振,秦国梁,林尚扬,王旭友. 机械工程学报. 2009(03)
博士论文
[1]铝合金/高强钢异种金属电阻点焊研究[D]. 张伟华.吉林大学 2011
本文编号：3483305
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3483305.html
