PDF《构的影响》

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1 - 电场对 AZ31B/Al 连接界面扩散反应和扩散溶解层结 构的影响 杜正良,刘奋军,陈少平,孟庆森 太原理工大学 材料科学与工程学院, 太原(030024) E-mail:[email protected] 摘要:本文应用电场激活扩散连接技术(FADB)实现了 AZ31B 与Al 的连接.研究了电 场对 AZ31B/Al 结合界面扩散反应和扩散溶解层生长过程及其结构的影响. 采用光学显微镜、 扫描电子显微镜、X 射线能谱与 X 射线衍射仪等分析方法对扩散溶解层的显微组织、相组 成和界面元素分布进行了分析. 研究结果表明, 电场强度对扩散溶解层各区的宽度和形态均 有显著影响.在FADB 条件下以铝粉为中间层时扩散溶解层由焊缝区的均匀共晶层、过渡 层和近缝区胞状晶组成;

以铝箔为中间层时扩散溶解层由靠近镁合金的共晶层和靠近铝基体 的过渡层构成.电场促进了界面的 Mg 与Al 元素的相互扩散,扩散溶解层宽度随电流密度 升高而变宽.以铝粉为中间层在温度 450o C,时间 50min,电流密度为 80Acm-2 时过渡层宽 度为 120μm,为未施加电场时过渡层宽度的

12 倍.此外,电流对共晶层内晶粒尺寸有显著 影响.当电流密度由 28Acm-2 升至

48 Acm-2 时点状晶粒晶粒尺寸由 2μm 降至 0.5μm. 关键词:AZ31B;

Al;

固态扩散;

电场;

扩散溶解 0. 引言 镁合金因具有密度低、比强度高、减震性好、电磁屏蔽性好、导电导热性好、加工性和 热成形性好以及易回收等优点而备受关注,在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防 军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景.铝及其合金具有良好的耐蚀性、 较高的比强度、较好的导电性及导热性等优点,在航空、航天、汽车、机械制造、电工及化 学工业中已大量应用[1].针对两种最具应用前景的轻型有色金属材料及镁合金的低韧性和 抗蚀性的缺点,对镁铝异种材料固相连接的研究已成为研究的热点和难点[2-3].固相扩散连 接能够避免采用熔焊方法时易产生的裂纹、变形、偏析等缺陷,被广泛应用于异种金属的连 接[4]. 近年来外加电场在固相扩散过程中的作用机理引起了学者们广泛兴趣.最初 Feng A 等人[5-6]认为电流仅仅给系统反应物与产物提供焦耳热. 此模型计算所得结果与实验也基本一 致.然而,文献[7-9]作者发现除热效应外电流还存在一些其它效应,并且 Hans Conrad[10] 认为影响机制比较复杂.包括电流密度、电流方向,温度与材料本身特性等很多因素都会影 响电场效应强弱.[7-9]文献作者发现外加电场提高了产物的形核率与界面反应的反应速率. J.E.Garay 等人[11]利用正电子湮灭光谱发现施加电场后 Ni-Ti 系统内点缺陷迁移率明显升 高. 在此基础上本文作者将探讨外加电场对 AZ31B/Al 结合界面扩散溶解过程的影响,以期 提高镁合金连接与表面改性的加工质量. 1. 实验材料和方法 实验装置示意图如图

1 所示.焊接炉采用钼丝做加热元件,炉内上下两紫铜电极之间 放置试样,电源采用 RDY2000A/12V 直流电源.在镁合金试块上钻盲孔放置 K 型热电偶测 量试样温度.实验材料为 AZ31B 挤压态板材;

铝粉纯度大于 99.5%,颗粒度为

200 目,实 验中间层厚度 0.3mm. 铝箔纯度 99%, 厚度 0.5 mm. 镁合金板材尺寸为 20mm*10mm*10mm. http://www.paper.edu.cn -

2 - 把铝粉或铝箔放入清洗后的两块镁合金试样之间,置入炉中,压力 0.01-0.1Mpa.试件加热 至预定温度后接通直流电源,电流 50-400A.到焊接时间后关闭电源,试样随炉冷却. 图1实验装置示意图:(1)直流电源, (2)绝缘体, (3)电极, (4)真空炉, (5)钼丝, (6)K-型热电偶 (7)铝粉或铝箔, (8)AZ31B Fig.1 A schematic diagram of an experimental apparatus:(1) DC current supply,(2)insulator,(3)electrode, (4)vacuum furnace,(5)molybdenum wire,(6)K-thermocouple,(7)aluminum powder or foil,(8) AZ31B 将焊后试样横截面抛光后利用 JVC 金相显微镜与 LEO-438VP 扫描电子显微镜分析结合 界面的微观形貌,利用 JSM-6700X 射线能谱仪进行成分分析, Y-2000 型X射线衍射仪进 行相分析. 2. 实验结果与讨论 2.1 界面处显微组织 采用铝粉为中间层时,温度 450°C,50min 时所得试样结合界面处扩散溶解层金相照片 如图

2 所示, 它包括由共晶层和过渡层构成的焊缝区和胞状晶近缝区. 从右往左依次为镁合 金基体、近缝区、过渡层与共晶层.近缝区为胞状晶,焊缝区内的过渡层为锯齿状的柱状组 织,焊缝内的共晶层为菊花状的团. http://www.paper.edu.cn -

3 - 图2450°C,50min,48Acm-2 试样界面处(a)扩散溶解层金相图片(b)共晶层扫描图片 Figure.2 (a)Optical micrograph of diffusion dissolution layers and (b) SE micrograph of eutectic layer in the interface at 450°C for 50min with 48Acm-2 current density

20 30

40 50

60 70

80 Mg AlMg CPS 2θ/(. ) Al12 Mg17 Al2 O3 图3.共晶层 X 射线衍射图谱及镁铝二元合金平衡相图 Figure.3 XRD patterns of eutectic layer and Mg-Al equilibrium phase diagram. 采用 X 射线能谱仪对图

2 中5个不同位置进行定点成分分析,所得结果列于表 1.根据 镁铝相图可确定近缝区与过渡层的组织均为 Mg-Al 的固溶体.根据表

1 的分析结果和 X 射 线衍射分析结果(图3)可知,共晶区中黑色区域

6 应为铝镁固溶体,白色区域

5 主要为金 属间化合物 Mg17Al12.此外还形成了非平衡相 MgAl. 表1连接界面各点成分分析结果 Table

1 EDS analysis results of zones in the interface shown in Fig.2(at%) Zone Mg Al O

1 2 87.18 83.43 1.09 4.51 11.72 12.06

3 79.88 6.93 13.19

4 5

6 83.60 67.95 76.24 8.73 26.04 14.24 7.67 6.01 9.53 采用铝箔为中间层时,所得试样界面处扩散溶解层金相照片如图 4(c)所示,扩散溶

5 6

4 2 50μm

3 a b

1 http://www.paper.edu.cn -

4 - 解层由靠近镁合金的共晶层(E.L.)和靠近铝基体的过渡层(T.L.)构成.从右往左依次为 镁合金基体、共晶层、白亮的过渡层与铝基体.由于电流密度较小,扩散速率较低使得(a) , (b)中未出现共晶层. 图4415°C ,保温 40min 不同电流密度(a) 0Acm-2 (b) 150Acm-2(c) 230Acm-2 时扩散溶解层金相照片 Fig.4 Optical micrographs of the diffusion dissolution layer at 415°C for 40min with different current densities (a) 0Acm-2 (b) 150Acm-2(c) 230Acm-2 2.2 扩散溶解层形成过程分析 根据扩散溶解结晶理论[12],扩散初始镁铝原子在浓度梯度驱动下发生互扩散.由于铝 粉活性较高, 铝原子很快向镁合金基体扩散溶解, 经过一段时间在镁合金内部形成固溶体构 成过渡层与近缝区. 铝元素浓度达到一定程度后形成过饱和固溶体, 在过饱和固溶体内金属 间化合物 Mg17Al12 开始形核并不断长大,同时由镁铝二元平衡相图可知当实验中界面反应 温度高于 437℃时,过饱和固溶体区域处于镁铝二元平衡相图的固液两相区,镁合金表面将 有部分区域熔化. 在液体表面张力作用下镁原子不断溶解进入熔化区域, 同时铝原子也不断 扩散进入镁基体, 熔化区域不断扩大最后在镁合金表面连成一体. 经凝固后形成菊花状共晶 层.由于轧制的铝箔致密度高,铝原子扩散速率较小,导致界面组织与铝粉相比呈现宽度和 结构的差异. 2.3 电流对界面组织结构的影响 2.3.1 电流对扩散溶解层宽度的影响 采用铝粉为中间层实验中,温度时间分别控制在 450°C,50min,发现随电流密度的增 大过渡层厚度明显变宽.如图

5 所示.其中 T.L.代表过渡层(transition layer) .未施加电场 时过渡层厚度仅约 10μm, 电流强度为 80Acm-2 时过渡层厚度达 120μm 为未施加电场时过渡 层厚度的

12 倍,过渡层宽度随电流密度变化列于表 2.电流促进过渡层的生长还表现在过 渡层结构的变化,随着电流密度增大,树枝状突起侧向生长连成一片成层状,然后沿前方生 长.此外对比(b)、(c)可发现随着电流密度增大,过渡层部分凸起延伸进入共晶层内.这表 明电场提高了镁向共晶区内溶解动力. 100μm 100μm 100μm b a c T.L. T.L. T.L. E.L. http://www.paper.edu.cn -

5 - 图5450°C 保温 50min 不同电流密度过渡层宽度(a) 0Acm-2 (b) 28Acm-2 (c) 48Acm-2 (d) 80Acm-2 Fig.5 Width of the transition layer(T.L.) at 450°C for 50min with different current density(a) 0Acm-2 (b) 28Acm-2(c) 48Acm-2 (d) 80Acm-2 表2不同电流密度时过渡层及扩散溶解层宽度 Table

2 Width of transition layer(T.L.) and diffusion dissolution layer with different current density current density (Acm-2 ) (aluminum powder) Width of transition layer(μm) current density (Acm-2 ) (aluminum foil) Width of diffusion dissolution layer (μm)

0 10

0 40

28 48

80 40

70 120

150 230

100 350 同铝粉类似,采用铝箔为中间层的实验中,在415°C 保温 40min 发现随电流密度的增 大扩散溶解层宽度明显变大,如图

4 所示.图4中扩散溶解层宽度随电流密度变化如表

2 所示.电流强度为 230Acm-2 时扩散溶解层宽度达 350μm,为未加电场时扩散溶解层宽度的

9 倍. 2.3.2 电流对晶粒的影响 施加电场后显著提高了新相的形核率. 导致随电流密度增大共晶层内两相晶粒尺寸显著 变小. 如图

6 所示, 电流密度为 28Acm-2 时点状晶粒尺寸约 2μm, 当电流密度增大至 48Acm-2 时点状晶粒尺寸减小至约 0.5μm. 根据 Hans Conrad 的电迁移(electromigration)理论[10],电场对原子扩散的影响: 100μm 100μm 100μm 100μm b c d T.L. T.L. T.L. T.L. a http://www.paper.edu.cn -

6 - 图6不同电流密度时共晶层的晶粒度 (a) 28Acm-2 (b) 48Acm-2,450°C, 50min Fig.6 The grain size of the eutectic layer at 450°C for

50 min with different current density (a) 28Acm-2 (b) 48Acm-2 ln i i i i N D N kT Z e j kT x x σ φ ρ ? ? ? ? ? = + ? Ω ? ? ? ? ? ? (1) 其中 i φ 表示 i 原子的扩散通量, i i N D 、 分别为其原子密度及扩散系数,k 为波尔兹曼常数, T 为绝对温度, Z? 为有效化合价,e 为电子电量, ρ 为电阻率, j 为电流密度,Ω 为原子 体积. ln i N kT x ? ? 一项为原子成分梯度导致的化学势梯度,无电场时扩散的驱动力仅依赖于 此,施加电场后多出电迁移项 Z e j x σ ρ ? ? ? Ω ? ,它表示金属离子对电子流的散射导致电子动 量向离子转移,即电子风力(electron wind force)推动了原子迁移从而加速了镁铝界面扩散溶 解过程. 实验中发现对于两种不同电流方向扩散溶解层的生长是对称的.Feng.A 对于AuCAl系 统的研究中也得到类似结果[5,6].由于实验结果与电流方向关系不大,说明除电迁移效应, 电流可能存在一些其它效应. 上面已经提到电流密度提高了共晶层内新相形核率, 由于扩散 溶解层的生长与体扩散有关,Thompson [13]认为电场对形核率的影响可能也为扩散控制过 程.既然电迁移效应不显著,电场激活扩散过程可能与点缺陷浓度及迁移率有关.最近 Asoka-Kumar[14]等人做的一项正电子湮灭光谱测试中,发现施加电场后金属内空位浓度得 到提高.后来J.E.Garay[11]等人发现在Ni3Ti中发现电场同样可以引起空位迁移率的提高.电 场之所以能加快扩散溶解层生长可能与新相中点缺陷浓度及迁移率的升高有关. 3. 结论 1)电场强度对扩散溶解层各区的宽度和形态均有显著影响. 在FADB 条件下以铝粉为中 间层时,扩散溶解层由焊缝区的均匀共晶层、溶解过渡层和近缝区胞状晶组成;

以铝箔为中 间层时,扩散溶解层由靠近镁合金的共晶层和靠近铝基体的过渡层构成;

2)电场促进了界面处 Mg 与Al 元素的相互扩散,扩散溶解层宽度随电流密度升高而变 宽.以铝粉为中间层在 450°C,时间 50min,电流密度为 80Acm-2 时过渡层宽度为 120μm, 为未施加电场时过渡层宽度的

12 倍;

以铝箔为中间层在 415°C,时间 40min,电流强度为 25μm 25μm b a http://www.paper.edu.cn -

7 - 230Acm-2 时扩散溶解层宽度达 350μm,为未加电场时扩散溶解层宽度的

9 倍;

3)电流对共晶层内晶粒尺寸有显著影响. 当电流密度由 28Acm-2 升至

48 Acm-2 时点状........