钢/铝异种金属激光熔钎焊金属间化合物成长机理研究

采用激光熔钎焊进行异种金属的连接在汽车、航空和航天等现代工业的轻量化结构制造中有着广阔的应用前景。但是目前的研究水平还无法对界面金属间化合物厚度进行准确的预测，这是制约激光熔钎焊应用的关键问题。基于激光熔钎焊热循环具有加热/冷却速度快、峰值温度高和固/液相互作用时间短的特征，本项目提出：金属间化合物的形成机理不仅是单纯的反应扩散机制，同时还存在结晶机制，而且后一种机制起主导作用。因此，本项目针对激光熔钎焊热循条件下钢/铝异种金属界面金属间化合物的成长机理展开系统研究。在充分研究界面金属间化合物成长行为的基础上，分析加热/冷却速度对元素扩散和母材溶解行为的影响机理，建立激光熔钎焊热循环条件下界面金属间化合物成长准确的数学模型，从而实现对实际激光熔钎焊接头界面金属间化合物厚度的准确预测。本课题可突破评价激光熔钎焊接头力学性能和服役能力的理论障碍，为异种金属轻量化结构制造提供设计依据。

本项目针对钢/铝异种金属激光熔钎焊界面金属间化合物成长机理进行了系统研究，主要取得以下研究成果：.1）采用热浸蘸试验对钢/铝异种金属的固/液界面反应进行了系统研究。研究发现，界面反应产物仅为FeAl3和Fe2Al5，FeAl3在冷却过程中由溶于液态铝中的Fe通过金属间化合物结晶形成，主要以锯齿或层状形态依附于固/液界面，其厚度、形态不随温度和时间明显变化；FeAl3的形成主要受Fe2Al5溶解控制，高温下在远离界面处形成游离态FeAl3，随温度升高其分布更密集，尺寸更粗大。Fe2Al5为指状形态并以反应扩散机制长大，其厚度和指状形态宽度随温度升高而增大；在反应过程中，钢奥氏体化将导致Fe2Al5/Fe界面发生平直化转变。1000℃时由于Fe2Al5溶解加剧，其成长动力学将偏离抛物线规律；综合考虑Fe2Al5生长和溶解建立了界面反应数学模型；.2）采用热物理模拟的方法研究了界面金属间化合物成长行为，发现Fe2Al5的形态主要受峰值温度和钢母材处于奥氏体温度范围的时间的影响；FeAl3的生成仍然受Fe2Al5溶解的影响；热循环条件下，Fe2Al5的溶解过程仅发生在铝熔化后的升温阶段和降温初始阶段；随着Fe2Al5溶解过程的停止，FeAl3开始依附在Fe2Al5上形核并长大；建立了热循环条件下金属间化合物的成长模型，采用有限差分的方法进行了金属间化合物厚度的预测，研究发现在加热速度为600℃/s，峰值温度不超过1000℃时或峰值温度为1200℃的快速热循环条件下，试验结果与预测结果吻合良好；.3）采用ANSYS有限元软件，建立了不同接头形式（对接和搭接）的钢/铝异种金属激光熔钎焊有限元模型。采用高斯面热源，全面考虑焊缝金属填充过程、工件内部热传导、材料物理性能非线性及其相变潜热、工件与周围空气介质间的热交换、材料的激光吸收率等因素。通过钢/铝异种金属激光熔钎焊试验，验证了有限元模型的准确性。该模型为钢/铝异种金属激光熔钎焊界面金属间化合物平均厚度的预测奠定了基础;.4）采用了IPG公司YLS-10000系列掺镱光纤激光器建立了钢/铝异种金属激光熔钎焊试验系统，实现了钢/铝异种金属的高质量连接。根据钢/铝异种金属激光熔钎焊数值模拟有限元模型，进行了数值模拟并提取热循环曲线，基于热循环条件下的界面金属间化合物成长数学模型，实现了界面金属间化合物厚度的准确预测。