火焰钎焊铝/钢界面诱导反应与钎缝成分调控方法研究

Torch brazing for joining aluminium/steel, high quality & high efficiency, by way of induced reaction will be explored in order to solve the problems which the oxides on aluminium and steel could not be removed simultaneity with existing fluxes and brittle compounds such as FeAl2、Fe2Al5 and FeAl3 were easy to form at the interfaces of Al and steel. "Reaction-couples" will thermodynamically be designed, metal inductors screened, organometallic inductors synthesized and prepared. Then, the sequential experimental method is adopted to explore the reacting regulations of the oxide films on Al and steel reacted with RbF-AlF3, RbF-KF-AlF3 and RbF-KBF4-AlF3 fluxes which focused on the induced methods and the compositions optimization of brazing flux. Through studied the mechanism of metal inductors, non-metal inductors reacting with "subjected inductors" under multi-conditions, the reducing reaction rates of Al2O3、MgO、Fe2O3、NiO and Cr2O3 acted upon by inductors, the calculation module of "design and regulate & control for the chemical composition of brazing seam" will be established. At the same time, the reaction mechanisms of the elements which could inhibit the atomic diffusion rate at the interfaces during induced reactions, the "transition coefficients" and the "induced factors" of alloying elements will be studied respectively, so the calculation module which design and regulate and control the chemical compositions of brazing seams would be established for directing the research on torch brazing of aluminium/steel, which will guide us to realize brazing for joining aluminium/steel with torch, high quality & high efficiency.

针对现有钎剂无法同时去除铝/钢表面氧化膜、铝/钢接头界面易形成FeAl2、Fe2Al5及FeAl3脆性化合物的难题，研究探索采用"诱导反应"，实现铝/钢火焰钎焊优质、高效连接途径。从"反应偶"热力学设计、金属"诱导体"筛选、金属有机诱导体的合成与制备入手，采用序贯实验方法，重点开展诱导方法及钎剂优化研究，探索火焰等诱导方法对RbF-AlF3、RbF-KF-AlF3及RbF-KBF4-AlF3钎剂与铝/钢表面氧化膜的反应规律；通过研究多种诱导反应条件下，金属诱导体、非金属诱导体与"受诱体"的作用机制、Al2O3、MgO、Fe2O3、NiO、Cr2O3氧化物在诱导体作用下的还原反应速度，建立起"钎缝成分的设计与调控计算模型"；通过研究诱导反应中抑制界面原子扩散元素的反应速度、合金元素的"过渡系数"以及"诱导因数"，建立起钎缝成分的设计与调控计算模型，为实现铝/钢火焰钎焊优质、高效连接提供理论指导。

基于航空航天、轨道交通、能源工业及造船技术的快速发展，铝合金与钢、不锈钢复合结构的应用越来越多的现状，为了满足铝/钢复合结构在汽车、电站、造船、冶金、航空航天领域广泛的应用需求，本项目以铝合金/Q235钢、铝合金/304不锈钢异种材料的火焰钎焊为主要研究对象，重点研究了火焰钎焊铝/钢界面诱导反应与钎缝成分调控方法，揭示、阐明了铝/钢界面反应机制，为获得优质、高效的铝/钢连接接头奠定理论基础。主要创新成果如下。.1） 揭示了金属诱导体、非金属诱导体、金属有机诱导体与“受诱体”的作用机制——即诱导体ZrF4、HfF4与RbF-AlF3、 RbF-KF-AlF3及RbF-KBF4-AlF3钎剂在铝/钢火焰诱导钎焊时的界面反应机制。.2） 阐明了Al2O3、MgO、Fe2O3、NiO、Cr2O3等氧化物在诱导体作用下的还原速度，建立起了“钎缝成分的设计与调控计算模型”。.3） 阐明了火焰诱导钎焊时铝/钢界面及钎缝Al2O3、MgO、FeO、Fe2O3、NiO、Cr2O3等氧化物的还原规律；获得在诱导反应条件下，ε-FeAl2，η-Fe2Al5及θ-FeAl3相“厚度”生长与调控方法。.4）研究确定了纳米四氟化铈（CeF4）、氟化锌（ZnF2）、氧化镓（Ga2O3）、氟化镓（GaF3）、氟化锂（LiF）、氟化硼（BF3）对CsF-RbF-AlF3钎剂的诱导反应规律；研究发现了Ga、Ce、Ti、Zr、Sr、Si对Zn-Al-Si、Al- Zn-Si、Ag-Cu-Zn-Sn钎料的诱导润湿、钎缝强化规律。 .5） 获得了诱导反应条件下合金元素的“过渡系数”，建立了钎缝成分的设计与调控计算模型，提出了火焰钎焊铝/钢界面诱导反应与钎缝成分调控方法的基础理论。.6）发表学术论文18篇，其中SCI收录14篇，EI收录3篇；申请发明专利4件，获得授权3件；获国家科技进步奖二等奖1项，教育部技术发明二等奖1项。