《鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊金屬間化合物成長機理研究》是依託北京科技大學，由陳樹海擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊金屬間化合物成長機理研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：陳樹海
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
採用雷射熔釺焊進行異種金屬的連線在汽車、航空和航天等現代工業的輕量化結構製造中有著廣闊的套用前景。但是目前的研究水平還無法對界面金屬間化合物厚度進行準確的預測，這是制約雷射熔釺焊套用的關鍵問題。基於雷射熔釺焊熱循環具有加熱/冷卻速度快、峰值溫度高和固/液相互作用時間短的特徵，本項目提出：金屬間化合物的形成機理不僅是單純的反應擴散機制，同時還存在結晶機制，而且後一種機制起主導作用。因此，本項目針對雷射熔釺焊熱循條件下鋼/鋁異種金屬界面金屬間化合物的成長機理展開系統研究。在充分研究界面金屬間化合物成長行為的基礎上，分析加熱/冷卻速度對元素擴散和母材溶解行為的影響機理，建立雷射熔釺焊熱循環條件下界面金屬間化合物成長準確的數學模型，從而實現對實際雷射熔釺焊接頭界面金屬間化合物厚度的準確預測。本課題可突破評價雷射熔釺焊接頭力學性能和服役能力的理論障礙，為異種金屬輕量化結構製造提供設計依據。
結題摘要
本項目針對鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊界面金屬間化合物成長機理進行了系統研究，主要取得以下研究成果： （1）採用熱浸蘸試驗對鋼/鋁異種金屬的固/液界面反應進行了系統研究。研究發現，界面反應產物僅為FeAl3和Fe2Al5，FeAl3在冷卻過程中由溶於液態鋁中的Fe通過金屬間化合物結晶形成，主要以鋸齒或層狀形態依附於固/液界面，其厚度、形態不隨溫度和時間明顯變化；FeAl3的形成主要受Fe2Al5溶解控制，高溫下在遠離界面處形成游離態FeAl3，隨溫度升高其分布更密集，尺寸更粗大。Fe2Al5為指狀形態並以反應擴散機制長大，其厚度和指狀形態寬度隨溫度升高而增大；在反應過程中，鋼奧氏體化將導致Fe2Al5/Fe界面發生平直化轉變。1000℃時由於Fe2Al5溶解加劇，其成長動力學將偏離拋物線規律；綜合考慮Fe2Al5生長和溶解建立了界面反應數學模型； （2）採用熱物理模擬的方法研究了界面金屬間化合物成長行為，發現Fe2Al5的形態主要受峰值溫度和鋼母材處於奧氏體溫度範圍的時間的影響；FeAl3的生成仍然受Fe2Al5溶解的影響；熱循環條件下，Fe2Al5的溶解過程僅發生在鋁熔化後的升溫階段和降溫初始階段；隨著Fe2Al5溶解過程的停止，FeAl3開始依附在Fe2Al5上形核並長大；建立了熱循環條件下金屬間化合物的成長模型，採用有限差分的方法進行了金屬間化合物厚度的預測，研究發現在加熱速度為600℃/s，峰值溫度不超過1000℃時或峰值溫度為1200℃的快速熱循環條件下，試驗結果與預測結果吻合良好； （3）採用ANSYS有限元軟體，建立了不同接頭形式（對接和搭接）的鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊有限元模型。採用高斯面熱源，全面考慮焊縫金屬填充過程、工件內部熱傳導、材料物理性能非線性及其相變潛熱、工件與周圍空氣介質間的熱交換、材料的雷射吸收率等因素。通過鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊試驗，驗證了有限元模型的準確性。該模型為鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊界面金屬間化合物平均厚度的預測奠定了基礎; （4）採用了IPG公司YLS-10000系列摻鐿光纖雷射器建立了鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊試驗系統，實現了鋼/鋁異種金屬的高質量連線。根據鋼/鋁異種金屬雷射熔釺焊數值模擬有限元模型，進行了數值模擬並提取熱循環曲線，基於熱循環條件下的界面金屬間化合物成長數學模型，實現了界面金屬間化合物厚度的準確預測。
