基于热物理模拟的钢/铝异种金属熔钎焊界面反应与力学行为调控机理研究

In order to improve the problems of bad controllability of interfacial microstructures and instability of mechanical properties of the welding-brazing joint of Fe/Al dissimilar metals, this project proposes a thermal physical simulation research method to investigate conveniently and quantitatively dissimilar metals solid/liquid interfacial reaction mechanism. The regulation mechanism of interfacial reaction and mechanical behavior is investigated to solve three key issues of solid/liquid interfacial reaction in initial stage, interfacial reaction kinetics at thermal cycle and influence mechanism of alloying element, and mechanical behaivior in the neighborhood of brittle interfacial compounds layers. The solid/liquid interfacial reaction mechanism of Fe/Al dissimilar metals in initial stage is investigated and its kinetics model is established. Furthermore, the interfacial reaction kinetics model under the condition of thermal cycle is proposed by comparative method. And, influence mechanism of alloying element on the model is clarified. The regulation mechanism of solid/liquid interfacial reaction for Fe/Al dissimilar metals welding-brazing is revealed. Using fracture toughness as assessment criteria, the influence mechanism of thickness and morphology of brittle interfacial intermetallic compounds layers on interfacial mechanical behavior is clarified by in site observation on initiation and propagation of the cracks, tests and simulation analysis on the interfacial toughness. The interfacial mechanical behavior in the neighborhood of intermetallic compounds layers is revealed. This project has important theoretical significance for enhancing controllability of interfacial structures and properties and evaluating availability of the joint.

本项目针对钢/铝异种金属熔钎焊界面微观组织可控性差、接头力学性能不稳定等问题，提出一种方便精确定量研究异种金属固/液界面反应机理的热物理模拟研究方法，拟开展"界面反应与力学行为调控机理"研究，解决"初始阶段的固/液界面反应机理"、"热循环条件下界面反应动力学及合金元素作用机制"和"界面脆性金属间化合物层近域力学行为"三个关键基础科学问题。在研究恒温下钢/铝异种金属初始阶段的固/液界面反应机理并建立动力学模型的基础上，采用比较法建立热循环条件下的界面反应动力学模型，并研究合金元素对该动力学模型的影响机制，揭示熔钎焊固/液界面反应调控机理。以界面断裂韧性作为主要评价指标，通过裂纹萌生与扩展的原位观察、界面脆性金属间化合物层厚度与形态对界面断裂韧性影响的测试与模拟分析，揭示界面脆性金属间化合物层邻域的力学行为。本项目对提高钢/铝异种金属界面组织性能可控性与评估接头使用性能具有极其重要的理论意义。

本项目针对钢/铝异种金属熔钎焊界面微观组织可控性差、接头力学性能不稳定等问题，拟开展"界面反应与力学行为调控机理"研究，解决"初始阶段的固/液界面反应机理"、"热循环条件下界面反应动力学及合金元素作用机制"和"界面脆性金属间化合物层近域力学行为"三个关键基础科学问题。经过本项目的研究主要取得如下研究成果：.1）本项目开发了一种Gleeble热物理模拟的研究方法，实现了钢/铝异种金属固/液界面反应的精确定量研究，揭示了钢/铝异种金属初始固/液界面反应机理与调控机理，实现了焊接条件下钢/铝固/液界面金属间化合物平均厚度的准确预测。通过研究合金元素对钢/铝固/液界面反应的影响机理研究发现，随着硅元素含量的增加，Fe2Al5/Fe的界面形态由指状逐渐演变成平直状态，并且平均厚度明显变薄，生长动力学指数降低。这些研究成果将为钢/铝固/液界面反应的准确调控奠定理论依据。.2）本项目开发了一种基于感应加热的钢/铝固/液界面控制系统，实现了对钢/铝异种金属接头宏观力学性能测试模拟试样的制备。研究发现，虽然元素Si可以有效的降低界面金属间化合物厚度，但是其力学性能明显降低。各类反应系统对比发现，采用纯铝与钢界面金属间化合物厚度最厚，但是其界面力学性能最佳，这一发现颠覆了界面脆性金属间化合物越薄其力学性能越好的僵化认识。.3）本项目采用数值模拟的方法研究界面脆性金属间化合物的厚度与形态对界面近域断裂韧性的影响规律。研究发现，采用能量释放率作为断裂韧性的评价指标，界面近域的断裂韧性随界面金属间化合物厚度增加明显降低，当其厚度达到6微米时，其断裂韧性几乎保持不变。在此基础上本项目采用激光深熔钎焊的方法制备了紧凑拉伸试样，进行断裂韧性测试，试验结果证明了数值模拟的正确性。本项目的这一研究成果，为接头力学性能的控制提供了方向，具有重要的实践意义。