高熵合金与铝、铜及不锈钢异种材料扩散焊研究

发布时间：2017-08-02 23:19

  本文关键词：高熵合金与铝、铜及不锈钢异种材料扩散焊研究

  更多相关文章： CoCrFeMnNi高熵合金 异种金属连接 扩散焊 界面行为 微观组织 力学性能

【摘要】：由于单相FCC结构的CoCrFeMnNi高熵合金对常见的有色金属材料(Al、Cu、Mg、Ti等)有比较大的固溶度,即有色金属溶于CoCrFeMnNi高熵合金的量在一定范围内变化时,并不会引起高熵合金晶体结构的变化,再加上其扩散系数小等特点,高熵合金有作为异种金属连接中扩散阻挡层的可能性。针对异种金属连接中由于物理化学性能差异过大易产生裂纹、界面易生成金属间化合物导致接头脆化等问题,本文运用真空扩散焊技术分别研究了Co Cr FeMnNi高熵合金与Al、Cu、304不锈钢的连接,利用扫描电镜、EDS能谱分析、显微硬度测试和拉伸试验机研究了扩散焊温度对原子界面行为和接头机械性能的影响规律,探索高熵合金直接应用于焊接领域或作为异种金属连接的中间层材料的可行性。在540-600℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与铝的连接,接头抗拉强度随着温度的升高呈现先升高后降低的趋势,570℃达到其最高值105Mpa,最大应变约为1.8%。经XRD、EDS分析结合界面硬度研究发现,界面上形成了Al79.5(CrMnFe Co Ni)20.5型脆性金属间化合物,且随着温度的升高,界面上的化合物由岛状逐渐长大接触形成层状的化合物,随着温度的升高化合物层的厚度逐渐增厚。570℃化合物层的厚度为0.91um,化合物层致密且无缺陷。当温度达到585℃化合物层厚度增加到2.3um时有裂缝出现,温度继续升高裂缝趋势进一步加剧。拉伸试验后断裂均发生在扩散层上,540℃时断口为韧性断裂模式,555℃时断口上开始出现脆断模式,直到585℃脆断为主要断裂模式。可见,化合物层的厚度较薄的时候对接头强度影响较小,厚度较厚的时候由于自身的脆性在外加载荷的过程中会出现裂缝,导致接头的强度急剧下降。在750-850℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与铜的良好连接,结合菲克扩散第二定律计算和分析了Cu原子在高熵合金中的扩散系数。结果表明:Cu在高熵合金一侧的扩散速率大于高熵合金组元在Cu侧的扩散,随温度增加,高熵合金组元向Cu侧扩散时其在扩散区内浓度分布降低的程度按MnCrFeCoNi的顺序依次减小。理论计算表明,Cu在高熵合金中的平均扩散系数明显小于铜在不锈钢中的平均扩散系数。经扩散反应后,Cu/高熵合金界面附近均可形成FCC型固溶体组织的反应层,无金属间化合物产生。所有扩散连接接头拉伸后其断裂均发生在远离界面的铜侧,随扩散焊温度升高,其抗拉强度和应变有所降低,其中750℃时铜的抗拉强度与应变分别达到最大值224MPa和33%。在900℃-1000℃温度范围内实现了CoCrFeMnNi高熵合金与304不锈钢的稳固连接。研究表明,温度较低时,界面上存在大量的孔洞,随着温度的升高,孔洞逐渐消失。结合EDS能谱分析以及硬度测试结果得知,反应层成分为FCC固溶体,没有金属间化合物产生。所有接头拉伸后断裂均发生在远离界面的高熵合金一侧,随着扩散焊温度的升高,抗拉强度略微升高,应变明显增大,可能与第二相的数量有关,1000℃时接头的抗拉强度和应变均达到了最大值,分别为585MPa和50%。
【关键词】：CoCrFeMnNi高熵合金 异种金属连接 扩散焊 界面行为 微观组织 力学性能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 引言11
• 1.2 钢/铝焊接技术研究现状11-13
• 1.3 钢/铜焊接技术研究现状13-15
• 1.4 异种钢焊接技术研究现状15-16
• 1.5 高熵合金研究和应用现状16-18
• 1.5.1 高熵合金的组织和性能特点17
• 1.5.2 高熵合金作为扩散焊中间层或焊接材料的依据和可行性17-18
• 1.6 本课题研究内容及意义18-20
• 第2章 实验材料及方法20-25
• 2.1 实验材料20-21
• 2.1.1 实验材料的成分及CoCrFeMnNi高熵合金的制备20
• 2.1.2 实验材料的焊前处理20-21
• 2.2 实验方法21-25
• 2.2.1 真空扩散焊设备21
• 2.2.2 真空扩散焊工艺参数21-24
• 2.2.3 接头微观组织与断口形貌观察24
• 2.2.4 扩散焊接头性能评价24-25
• 第3章 CoCrFeMnNi高熵合金/铝的扩散连接25-41
• 3.1 前期工艺探索——“锥孔配合”模拟真空扩散焊实验25-30
• 3.1.1 扩散偶界面微观组织形貌特征26-29
• 3.1.2 扩散偶界面硬度分布29-30
• 3.1.3“锥孔配合”模拟真空扩散焊实验总结30
• 3.2 前期工艺探索——“模具法”模拟真空扩散焊实验30-33
• 3.2.1 模拟扩散焊界面微观形貌特征31-32
• 3.2.2 模拟扩散焊接头的断口形貌32-33
• 3.3 CoCrFeMnNi高熵合金/铝扩散焊研究33-40
• 3.3.1 接头扩散层的形成及微观组织形貌特征33-36
• 3.3.2 扩散焊接头的力学性能研究36-38
• 3.3.3 拉伸断口分析及断裂原因38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 CoCrFeMnNi高熵合金/铜的扩散连接41-50
• 4.1 CoCrFeMnNi高熵合金/铜扩散焊微观组织研究41-46
• 4.1.1 Cu/HEA扩散连接接头界面的成分分布及微观组织特征41-46
• 4.1.2 温度对反应层厚度的影响规律46
• 4.2 CoCrFeMnNi高熵合金/铜扩散焊接头的力学性能研究46-48
• 4.2.1 温度对扩散焊接头抗拉强度的影响规律46-47
• 4.2.2 接头拉伸断口分析47-48
• 4.3 304不锈钢/铜在相同条件下的对照实验48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 CoCrFeMnNi高熵合金/不锈钢的扩散连接50-58
• 5.1 CoCrFeMnNi高熵合金/钢扩散焊微观组织研究50-53
• 5.1.1 304/HEA扩散连接接头界面的成分分布及微观组织特征50-52
• 5.1.2 温度对扩散区厚度的影响规律52-53
• 5.2 CoCrFeMnNi高熵合金/钢扩散焊接头的力学性能研究53-56
• 5.2.1 扩散焊接头界面处显微硬度的分布53-54
• 5.2.2 温度对扩散焊接头抗拉强度的影响规律54-55
• 5.2.3 接头拉伸断口分析55-56
• 5.3 本章小结56-58
• 结论58-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录64

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本文编号：611679