铝基层状复合材料界面金属间化合物的研究现状

随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现,特别是高、精、尖技术的迅速崛起和发展,各国对工程材料的需求也越来越广泛,对材料性能提出了越来越苛刻的要求。因此传统、单一的金属材料的应用领域受到很大的限制,越来越不能满足高新技术的发展要求。近年来,能源和资源的消耗日渐增多,许多矿产资源日益枯竭,为了节约资源和能源,减轻产品质量,环保绿色的复合材料已成为主流发展方向。异种金属复合材料通过选择不同的组元层,可具备多种优异性能,以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热导电等特殊要求。目前,金属基复合材料在石油、机械、化工、电子及家用电器等许多领域得到了广泛应用。铝基层状复合材料兼具铝合金的耐腐蚀、高导热、低密度和其他组元层的优良性能,如不锈钢耐腐蚀、铜高导电导热散热、钛耐高温冲击耐腐蚀、镁低密度优良电磁波屏蔽性能等,可满足多种特殊使用要求。铝不锈钢、铝镍及铝钛复合材料的应用,可节约Cr、Ni、Ti等稀贵金属。为了使铝基层状复合材料具有良好的界面结合性能,异种金属复合后,通常进行扩散退火,然而异种金属扩散退火过程中若层状复合材料界面有金属间化合物生成,将会损坏组元层间的结合强度,甚至分层,严重影响复合材料的使用性能。因此,研究界面金属间化合物的形成及生长是开发铝基层状复合材料的关键。本文较为系统地阐述了常用铝/不锈钢、铝/钛、铝/镍、铝/铜、铝/镁五种铝基层状复合材料界面金属间化合物,介绍了界面金属间化合物相的组成及生长动力学,并给出了五种铝基层状复合材料界面化合物的生成条件。同时,揭示了铝基层状复合材料界面金属间化合物初始形成过程,包括金属相互扩散、到达最大固溶度后初始相的形成、金属间化合物不同相间的转变及金属间化合物厚度的增加,得到了界面化合物厚度与扩散退火时间和温度的关系,金属间化合物层厚度(X)与时间(t)之间的关系满足公式:X=kt~n(n为动力学指数)。此外,本文就Si对铝镍、铝钛层状复合材料界面金属间化合物的影响进行了预测。     

铜/铝双金属复合材料研究新进展

双金属复合材料能综合各基体金属的优异性能,弥补单一金属的不足,具有性价比高、成本低等特点,是目前材料研究领域的热点。铜/铝双金属复合材料作为一种典型的双金属复合材料,综合利用铜的高导电、高导热,以及铝的质轻、易焊接、低成本等优点,广泛应用于电力、热传输、汽车等领域,受到国内外研究人员的广泛关注。然而,制备铜/铝双金属复合材料的主要难点包括:(1)铜、铝两种材料均易氧化,且形成的氧化膜难以去除;(2)界面易形成硬脆的金属间化合物,危害铜/铝双金属复合材料的性能。近年来,研究人员不断完善现有工艺和开发新工艺,对界面形成机理、金属间化合物的生长调控、组元金属之间的尺寸与性能的匹配、变形与热处理协调、性能表征等方面进行了大量研究,并取得了丰富的成果。研究人员通过优化工艺参数、采用物理和化学方法控制界面金属间化合物的生长,提高界面结合强度;采用原位表征手段观察界面的相演变,探究界面结合机理;结合有限元模拟技术,开展铜/铝双金属复合材料变形、热处理和缺陷预测等方面研究,指导实际生产;综合评价铜/铝双金属复合材料的力学、电学、热学和耐腐蚀等性能,不断挖掘其应用潜力。本文归纳了铜/铝双金属复合材料的制备工艺,重点评析了组合复合工艺在制备铜/铝双金属复合材料的应用。综述了铜/铝双金属复合材料在界面组成、原位观察界面相的演变、界面性能评价和界面结合性能提升等方面的研究新进展,并预测了铜/铝双金属复合材料未来的研究方向。     

铜铝双金属复合材料的研究进展

铜铝双金属复合材料由于其优良的综合性能受到广泛关注和研究。介绍了铜铝双金属复合材料的发展概况,综述了复合技术、界面行为、金属间化合物的形成和生长规律、金属间化合物的微观结构以及铜铝间的扩散行为等方面内容,论述了铜铝复合材料的力学和电学性能的研究进展,并提出了其发展趋势。     

Ti/Al异种金属微电阻点焊接头的形成过程及形成机理研究

目的对0.2 mm厚的TC4和2A12薄板进行微电阻点焊研究,分析其接头的形成过程及形成机理。方法通过EDS以及微区XRD等测试手段对熔核与母材界面各区域进行分析,研究界面处的元素扩散以及成分分布。结果对熔核与界面进行EDS线扫描可以发现,熔核内部区域Ti,Al含量比较均匀,说明熔核内部的元素扩散较为充分。熔核与铝侧母材界面处的针状化合物经过分析,推测其主要成分为Ti-Al金属间化合物。熔核内部的主要成分为Al_3Ti金属间化合物。熔核与Ti侧母材界面处生成了AlTi_3和AlTi_2金属间化合物。结论熔核内部以及熔核与母材交界处均生成了Ti-Al系金属间化合物。接头形成过程基本可以分为"固相连接"、"钎焊连接"、"熔化连接"、"熔核的形成与长大"4个阶段。     

铝/钢搅拌摩擦辅助铆接接头界面特性研究

目的探究搅拌摩擦辅助铆接铝/钢接头界面的结合特征,解决传统铆接力学性能较低的问题。方法采用搅拌摩擦焊技术实现了对3mm厚不锈钢板和4mm厚的铝合金板的搭接点焊,采用OM及SEM对铝/钢接头界面结合情况进行分析,并利用EDS对界面处元素分布进行分析。结果搅拌头转速1180 r/min、焊接时间120 s、下压量0.2 mm时,铝/钢接头界面结合较好,平均拉剪力达到6519 N,且在铝/钢界面处产生FeAl金属间化合物。受摩擦热作用的影响,位于下板的铝母材晶粒发生长大变粗,铝铆钉与铝板结合紧密,铝铆钉与铝板的结合情况受搅拌头压力的影响更为显著。结论搅拌摩擦辅助铆接铝/钢异种合金,实现了铆钉与铝板和钢板的有效冶金结合,在铝钢结合界面处存在原子的互扩散现象,且有相应的金属间化合物生成。     

铝添加剂对镀钛金刚石/铜复合材料热学性能的影响

针对添加剂铝能够改善镀钛金刚石/铜的界面粘附力,研究了不同体积分数铝的加入对金刚石-铜的界面、微观结构、界面产物的形成以及热性能的影响。结果表明:铝的加入在金刚石-铜界面之间形成了金属间化合物Al_5 CuTi_2和AlCu_2Ti,金属间化合物的形成明显地改善了金刚石-铜的界面浸润性,提高了复合材料的致密度。然而,随着铝体积分数的增加,复合材料的热导率反而降低,是由于金属间化合物的形成阻碍了有效传热界面,增加了热阻造成的。当铝和金刚石体为分别为2 vol.%和75 vol.%时,样品最高热导率达到了570 W/(m·K)。     

金属镀层对铝/钢激光熔钎焊接头组织与性能的影响

针对在铝/钢焊接过程中,钢的表面金属镀层对铝/钢激光熔钎焊接头性能有着重要影响的问题,研究铝合金在不同金属镀层的低碳钢表面的铺展效果,通过SEM对不同金属镀层下熔钎焊接头界面微观组织形态、金属间化合物厚度、种类等进行分析,并进一步研究不同金属镀层下铝/钢接头的力学性能及断口形貌。结果表明:钢表面的金属镀层对铝/钢激光熔钎焊过程中5A06铝合金在钢上的铺展与浸润有着较大的影响,其中5A06铝合金在镀铝钢上的铺展效果最佳,且铝合金与镀铝锌钢熔钎焊的接头抗拉性能最好,达到母材铝合金的70%。铝/钢界面金属间化合物主要由铝铁金属间化合物组成,其中在镀铝钢、镀铝锌钢、镀锌钢中主要存在Fe2Al5,FeAl3,FeAl等金属间化合物,在镀镍钢界面中还存在Fe4Al13等金属间化合物。     

铝-钢复合板结合界面研究

用显微硬度计、透射电镜、扫描电镜及能谱仪对铝-钢复合板结合界面进行了研究.结果表明,铝-钢复合板结合界面呈准正弦波形;结合界面两侧的铝元素和铁元素相互扩散,扩散的深度在微米数量级,爆炸后结合界面显微硬度增加,漩涡区的硬度增加为基体金属的3-6倍;结合界面由铝和铁的金属间化合物(FeAl、FeAl2、FeAl3、Fe24...     

铜铝层状复合材料的研究进展

介绍了铜铝层状复合材料的固-液复合法铸轧工艺特点,并从原子扩散和反应扩散两方面客观地分析了铸轧复合的界面结合机理。阐述了铜铝层状复合材料过渡层中金属间化合物的形成规律和铝基体化学成分变化对界面扩散的影响,从分子动力学模型和耦合模型的角度,综述了数值模拟技术在铜铝层状复合材料研究中的发展现状,提出其发展趋势。     

钢-铝激光焊接的关键技术与未来趋势展望

汽车车身多材料结构要求两种不同类型的材料进行连接(如钢-铝、铸铁-铝、铝-镁等).激光焊热量集中,热源能准确控制,应力应变小,与其他焊接方法相比,更适合于钢、铝异种材料的焊接.在分析钢-铝焊接难点的基础上,总结了当前钢-铝激光焊接中常见的焊接缺陷、接头连接形式、表面处理及填加焊料,着重概括了激光焊接工艺参数对焊缝质量的影响,指出钢-铝激光焊接技术未来的发展趋势是设计与开发柔性化夹具,加强钢-铝激光焊接工艺参数优化、焊接缺陷控制、合金元素填料筛选、FeAl脆性金属间化合物与延塑性较好金属间化合物的形成条件、Fe/Al界面结合机理等方面的基础研究,期望为激光焊接多材料车身结构提供重要的技术参考.     

铁-铝金属间化合物涂层退火工艺的正交试验设计

采用火焰喷涂-感应重熔工艺在45钢基体上制备铁-铝金属间化合物涂层,对其退火热处理工艺进行正交设计,得出优化的工艺为750℃退火1.5 h。优化退火后涂层的磨屑及磨损后试样表面形貌分析表明:涂层的主要磨损机制开始为粘着磨损,随后转变为磨粒磨损。由扫描电子显微镜分析可知:退火后铁-铝金属间化合物涂层由固溶体、条块状碳化物、氧化物和孔隙组成。     

层状镁/铝复合板轧制工艺研究进展

镁/铝复合板具有密度小、比强度高和耐腐蚀性好等优点,广泛应用于航空航天、汽车制造等领域.轧制法是目前生产镁/铝复合板最为广泛的一种方法,该法设备简单、操作容易、成本低廉.介绍了普通轧制法、异步轧制法、爆炸+轧制法、累积叠轧法、固-液铸轧法、波-平轧制法6种轧制工艺,以及这些工艺在制备镁/铝复合板时的优缺点.波-平轧制工艺可以提高复合板的平直度,有利于板材后续加工成形.也研究了轧制温度、轧制压下率、轧制速度、轧后退火处理对镁/铝复合板力学性能的影响,镁/铝界面金属间化合物的形成因素,以及化合物层厚度对镁/铝复合板力学性能的影响.     

铝-铝-钢与铝-钛-钢复合板疲劳性能对比研究

针对船体结构对铝-钢复合板的选材与节点设计需求,对铝-铝-钢与铝-钛-钢复合板开展了轴向拉-压疲劳试验,测试了材料的条件疲劳强度与S-N曲线,对比分析了两种铝-钢复合板的疲劳断裂行为与断裂位置。结果表明,在应力比为-1,轴向拉-压载荷条件下,铝-铝-钢复合板的条件疲劳强度为28.8 MPa,铝-钛-钢复合板的条件疲劳强度为55.0 MPa。在疲劳寿命接近的条件下,后者比前者能够承受更大的应力,抵抗疲劳扩展能力更强。铝-铝-钢复合板疲劳断裂主要发生于1060纯铝层,铝-钛-钢复合板疲劳断裂发生于3003铝合金层,疲劳断裂位置与铝-钢接头组成材料的抗拉强度大小密切相关。     

铁铝焊接界面组织与性能的研究

为了研究热处理对铁铝焊接界面组织和性能的影响,本文采用电容储能焊得到铁铝焊接接头,并对部分焊接接头进行热处理。利用显微镜、X射线能谱仪和显微维氏硬度仪对未热处理和热处理的焊接接头界面处的微观组织、化学成分和性能进行对比和分析。结果表明:热处理后焊接接头界面处有Fe-Al金属间化合物生成;热处理后的焊接接头融合区的铝含量比未热处理的低;焊接接头界面处由于铁铝原子的互扩散,硬度较铁、铝基体有所提高;热处理的焊接接头界面处的硬度高于未热处理的界面处硬度。热处理促使金属间化合物的生成,有利于改善焊接接头性能。     

电弧作用下AlSi5钎料在镀锌钢板上铺展及界面行为研究

采用 TIG 电弧钎焊试验方法,主要研究了电流大小、电弧加热时间以及弧长对 AlSi5钎料在镀锌钢板上润湿铺展及界面行为的影响。实验结果表明：随着电流、燃弧时间和某一范围内弧长的增加,钎料在镀锌钢板上的润湿角逐渐减小,铺展面积逐渐增加,并在某一特定范围时润湿铺展性能达到最佳;随着燃弧电流的增加,界面金属间化合物的厚度呈现先增加后减小的趋势,靠近母材一侧有 Fe2 Al5相生成,钎料一侧则生成 FeAl3相;Al 元素扩散到界面处与 Fe 元素发生扩散反应形成 Fe-Al 金属化合物颗粒,在钎缝中弥散分布着 Si 元素,对钎缝有强化作用。     

Heteroepitaxial growth of Fe2Al5 inhibition layer in hot-dip galvanizing of an interstitial-free steel

This work presents characterization results on inhibition layers formed on a TiNb-stabilized interstitial-free steel after short time galvanizing. The Fe-Al and steel interface was free from oxide, so that the Fe-Al intermetallic compound could directly nucleate on ferrite grains. Electron diffraction performed in a transmission electron microscope showed that only Fe₂Al₅ was formed and it had a well-defined orientation relationship of [110]_{Fe(sub/2)Al(sub/5)}// [111]_Fe, (001) _{Fe(sub/2)Al(sub/5)}//(01?1)_Fe and (11?0) _{Fe(sub/2)Al(sub/5)}//(21?1?)_Fe with Fe substrate. The structure of the interfaces between Fe₂Al₅ and Fe is discussed. The epitaxially nucleated Fe₂Al₅ grains on Fe substrate had very small grain size, 20 nm or less, and several variants were intimately mixed. The grains grew rapidly to hundreds of nanometers toward the Zn side.     

Fe3Al基金属间化合物涂层的研究进展

Fe3Al金属间化合物具有良好的高温性能,在钢表面制备Fe3Al基金属间化合物涂层能有效提高基体在高温下的抗氧化、耐腐蚀、耐摩擦和抗冲蚀性能,其抗硫化性能甚至优于不锈钢.相比于同等功能的陶瓷涂层,Fe3Al涂层与基体有更好的相容性.综述了Fe3Al基金属间化合物涂层的研究现状,介绍了涂层性能及影响因素,涂层制备的主要工艺方法和技术特点,主要包括热喷涂、堆焊、激光合成等.     

镁含量和硅对铁-锌铝镁合金固-液扩散偶中Fe-Al反应层的影响

在热浸镀锌中,铁基表面Fe-Al化合物层的形成会影响镀层的生长和质量。将Fe/(Zn-11%Al-3%Mg)和Fe/(Zn-11%Al-x%Mg-0.2%Si)扩散偶在600℃下进行25min的固-液扩散实验,利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了镁含量和硅对铁-锌铝镁合金固-液界面Fe-Al合金层形成的影响。结果表明,Fe/(Zn-11%Al-3%Mg)固-液扩散偶反应层由FeAl3和Fe2Al5相层组成;随着Mg含量的增加,Fe/(Zn-11%Al-x%Mg-0.2%Si)扩散偶中反应层的厚度呈现先增加后减少再增加的变化趋势,当镁含量为3%时反应层厚度最薄;Fe/(Zn-11%Al-3%Mg)扩散偶中Fe-Al反应层的平均厚度比Fe/(Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si)扩散偶中反应层的厚度大60μm,证明Si元素起到抑制Fe-Al反应层形成的作用。研究结果为解释Super Dyma合金镀层中不形成明显的Fe-Al抑制层提供了实验依据。     

Oxidation Resistance of the Aluminide Coating Formed on Carbon Steels

Low and medium carbon steels were aluminized by the pack aluminizing technique using halideactivated pure-Al and Fe-Al packs. The effect of mixture composition, aluminizing temperatureand time and C content of the steel substrate on the structure and thickness of the aluminidelayer, and on the oxidation resistance was investigated. The optimum oxidation resistance canbe achieved with a low carbon steel substrate when the intermetallic phases Fe3Al and FeAlform the surface of the aluminide layer. In this case, the Al concentration at the surface of thealuminide coating is at least ≥15 wt pct. Formation of high Al concentration phases (FeAl3 andFe2Al5) during aluminizing should be avoided as they tend to embrittle the aluminide layer andreduce its oxidation resistance.     

近净成形Ti—Al多孔金属间化合物的孔隙形成及生长的演变机制

近净成形Ti-Al金属间化合物多孔材料具有优异的特性,但制备过程中由于Ti,Al元素粉末反应合成及孔隙演变的复杂性,导致这种新型多7L材料的孔结构很难控制。通过对Ti-Al元素粉末在反应合成过程中的显微结构、物相以及孔结构进行观测和分析,揭示了近净成形Ti-Al多孔金属间化合物的孔隙形成及生长的演变过程。结果表明,在Al元素两阶段的偏扩散过程中,在快速扩散组元A1的位置,在Kirkendall效应以及与孔径成反比的张应力的共同作用下,Ti-Al合金多孔材料中的Kirkendal孔隙随着Al元素的快速扩散逐渐长大;Ti-Al合金多孔材料中的Kirkendall孔隙是以生坯中Al颗粒的变形形状为模板进行生长并连通,经烧结驱动力微观调整后随合金成分的均匀化而被稳定下来,形成由大量高度连通孔隙和很少一部分细小闭合孔隙组成的孔结构。