铝/钢激光熔钎焊界面弥散相FeZn10调控及强韧化机理研究

Al/steel dissimilar joining by laser welding/brazing technology is very promising for the manufacturing of automotive light-weight components. Its difficulty is the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) and the resultant poor joint mechanical properties. Decrease brittleness of the interfacial reaction products is an important way to skirt the issue. In our preliminary study on laser welding/brazing of Al to steel with Zn-22Al filler metal, the results have shown that matrix phase Fe2Al5-xZnx and dispersed phase FeZn10 are formed at the interface. Besides, FeZn10 exhibits good toughness, and it leads to the enhancement of joint mechanical properties. However, the formation and growth mechanisms as well as strengthening and toughening behavior of dispersed phase FeZn10 are still unclear. Therefore, this study aims to clarify the evolution of matrix phase Fe2Al5-xZnx by applying welding/brazing experiments and finite element analysis simulation; base on this analysis, then conduct thermal simulation experiments and thermodynamic calculations to reveal the formation and growth mechanisms of dispersed phase FeZn10, and to propose controlling method for the dispersed phase FeZn10; to investigate the strengthening and toughening behavior of dispersed phase FeZn10 by in-situ tensile technique and mechanical properties tests. This study is beneficial for the development of high-quality laser welding/brazing of Al to steel. Moreover, it has theoretical and directive significance for the control of interfacial brittle IMCs of Al/steel joints by welding/brazing and also provides new ideals to this research field.

铝/钢激光熔钎焊在汽车轻量化结构制造领域具有重要的应用前景，其难点是铝和钢界面反应极易形成脆性的金属间化合物，弱化接头力学性能；改善反应产物的脆性是解决该难点的重要途径。申请人发现，填充Zn-22Al钎料的铝/钢激光熔钎焊界面形成了基体相Fe2Al5-xZnx内嵌弥散相FeZn10的组织形貌，且弥散相FeZn10韧性较高，接头性能显著提升。然而，弥散相的形成和生长机制及其强韧化机理尚不清楚。鉴于此，本项目拟通过熔钎焊试验结合有限元模拟，阐明基体相的组织演变行为；在此基础上，利用热模拟试验分析和热动力学理论计算，揭示弥散相的形成和生长机理，提出弥散相组织形貌的调控方法；借助原位拉伸技术和力学性能测试，明确弥散相的强韧化机理；构建熔钎焊界面反应条件—微观组织—力学性能之间的关系。本项目的实施将有助于铝/钢高品质激光熔钎焊的发展，并为铝/钢熔钎焊界面脆性金属间化合物的调控提供新的思路和理论基础。

铝/钢异种材料激光熔钎焊在轻量化结构制造中具有广泛的应用前景，其难点是铝和钢界面反应极易形成脆性的金属间化合物，弱化接头力学性能；改善反应产物的脆性是解决该难点的重要途径。申请人前期研究表明，铝/钢激光熔钎焊过程中通过添加Zn-Al钎料，界面形成了脆性基体相Fe2Al5-xZnx内嵌韧性弥散相FeZn10的复合界面层，接头性能显著提升。本项目以光纤激光和二极管激光作为铝/钢熔钎焊接试验方法，通过调节工艺参数，深入分析了焊接热输入对铝/钢激光熔钎焊界面反应产物的影响规律，重点考察了韧性弥散相FeZn10的尺寸、形貌和分布的演化。研究结果表明，无论是光纤激光还是二极管激光，Fe2Al5-xZnx 和FeZn10都以层状相和弥散相形成于界面。Fe2Al5-xZnx相作为Fe2Al5的一种衍生物，其形成机理为反应扩散。液态熔合区中的Zn在界面张力驱动作用下开始沿Fe2Al5-xZnx 晶界形成Zn薄膜，当其靠近熔化区一侧将最终凝固形成弥散的Zn固溶体颗粒，当其靠近钢一侧将继续与扩散的Fe元素发生反应形成弥散的FeZn10。基于ANSYS有限元分析方法，分别模拟计算了光纤激光熔钎焊温度场和二极管激光熔钎焊温度场和流场。模拟结果表明，相较于光纤激光，二极管激光焊沿着界面方向温度场分布更为均匀，熔化区形成了两个流动方向完全相反的涡流，在二者的作用下促进了界面附近的Fe，Al和Zn元素向界面中心区域的堆积，进而导致反应层中间厚、两头薄的现象（即在激光辐照区附近厚度达38微米，焊趾和焊根处厚度为10微米），也是中间反应层异常生长的机制。弥散相FeZn10硬度低韧性好，可发生塑性变形吸收部分断裂能量，改变裂纹方向乃至终止裂纹的扩展，强韧化了熔钎焊接头和界面；同时，该强韧化效果也得益于弥散相FeZn10与基体相Fe2Al5-xZnx形成了具有极低界面能的半共格界面。为此，添加Zn-Al钎料的铝/钢激光熔钎焊接头展现出良好的抗拉性能和弯曲性能。建立了熔钎焊界面反应条件—微观组织—力学性能之间的关系，获得了最佳力学性能所对应的弥散相 FeZn10 组织形貌的控制手段，为汽车铝/钢高品质激光熔钎焊奠定了基础，为相关基础理论提供了支持。在完成本项目的过程中，培养硕士研究生4名，申请国家发明专利9项，授权3项，发表SCI论文12篇，一区3篇，二区5篇。