專(zhuān)利名稱：強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備Fe₃Al/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料加工領(lǐng)域，具體為有色金屬的焊接技術(shù)，尤其是有色金屬間 的擴(kuò)散連接方法，具體是強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)材料是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)，其性能決定了工業(yè)裝備的水平。新型有色 金屬材料是重要的一類(lèi)材料。鋁合金是目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的有色金屬，具有低密度、 高比強(qiáng)度、易加工等特點(diǎn)。！^e3Al是一種新型的有色金屬，具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐磨 性和耐腐蝕等特性，是航空航天、汽車(chē)、化工等領(lǐng)域極具潛力的材料。將I^e3Al和Al合金連 接起來(lái)，可以充分利用I^e3Al的高強(qiáng)度、耐磨性和Al合金的優(yōu)良塑性，得到綜合性能優(yōu)異的 Fe3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，F(xiàn)e3Al合金和Al合金都具有較好的耐腐蝕性能，因此i^e3Al/Al 復(fù)合結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下服役的可靠性也較好。目前!^e3Al常用的連接方法主要是焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、電子束焊和擴(kuò)散焊。 采用TIG焊和電子束焊焊接!^e3Al時(shí)，容易產(chǎn)生熱裂紋。為了避免產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)當(dāng)控制 焊材中的B、Zr、Mo等元素，而增加Cr、Nb、C等碳化物形成元素。但是B、Zr、Mo等元素是 Fe3Al合金常用的強(qiáng)韌化元素。采用焊條電弧焊和鎢極氬弧焊焊接!^e3Al時(shí)容易出現(xiàn)冷裂紋 問(wèn)題?？諝庵械乃诟邷叵路纸獬鲈託?，可以直接和熔池中的Al反應(yīng)生成原子氫，是 Fe3Al合金熔化焊時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。Fe3Al合金的熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大，在 熔化焊過(guò)程中容易在接頭區(qū)域形成較大的殘余應(yīng)力，有助于氫的擴(kuò)散、聚集。因此，在!^e3Al 合金與異種材料(如Q235、CrlS-NiS等)連接時(shí)主要采用的是擴(kuò)散焊。擴(kuò)散焊時(shí)存在的 主要問(wèn)題是難以得到微觀組織結(jié)構(gòu)均勻過(guò)渡的界面區(qū)，在界面區(qū)往往容易出現(xiàn)高硬度脆性 相，導(dǎo)致接頭區(qū)的力學(xué)性能惡化。目前還沒(méi)有將I^e3Al合金和Al合金連接制備!^e3AVAl復(fù) 合結(jié)構(gòu)的報(bào)道。Fe3Al和Al合金的物理化學(xué)性質(zhì)之間存在顯著的差異，這使得 ^3Α1和Al合金 在擴(kuò)散焊過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力，使界面處形成裂紋。為此，必須采用一定的工藝措施強(qiáng)化 Fe3Al和Al合金的擴(kuò)散焊接。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，周媛等申請(qǐng)的兩項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利“一種低溫真空擴(kuò)散 連接鈦合金的方法(申請(qǐng)?zhí)?0081017M68.幻”和“一種以薄膜為中間層進(jìn)行高溫合金真 空擴(kuò)散連接的方法(申請(qǐng)?zhí)?0081017M71. 5) ”提出在工件表面采用磁控濺射方法制備薄 膜的方式改善鈦合金或者高溫合金的擴(kuò)散焊接。采用磁控濺射的方法制備薄膜具有以下不 足首先是濺射出薄膜面積受磁控靶面積的限制；其次是磁控濺射過(guò)程比較復(fù)雜；最后是 磁控濺射的設(shè)備價(jià)格較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種利用強(qiáng)化層擴(kuò)散連接!^e3Al合金和Al合金，制備i^e3Al/Al復(fù) 合結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明針對(duì)增強(qiáng)!^e3Al合金和Al合金的擴(kuò)散焊接，提出了一種采用表面塑性變形 的方式，用噴丸或表面機(jī)械研磨在合金表面制備強(qiáng)化層，然后以強(qiáng)化層作為中間層進(jìn)行擴(kuò) 散連接，得到 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備!^e3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟(1)對(duì)!^e3Al或者Al合金進(jìn)行表面塑性變形，在表面制備由超細(xì)晶或者納米晶構(gòu) 成的強(qiáng)化層；強(qiáng)化層厚度10 30um，納米晶粒徑20 50nm ；超細(xì)晶的粒徑100 120nm。在!^e3Al或者Al合金表面制備強(qiáng)化層的方式是噴丸或者表面機(jī)械研磨，采用直徑 2 8mm的鋼球噴丸5 20min，或者直徑2 8mm的鋼球表面機(jī)械研磨5 20min。對(duì)未經(jīng)過(guò)表面塑性變形的Al合金或!^e3Al合金的表面進(jìn)行機(jī)械清理和化學(xué)清洗 并干燥；可用砂紙逐級(jí)打磨后，可再用醇類(lèi)(如乙醇)或者丙酮清洗后吹干；所用的!^e3Al合金中，！^e的原子百分比為65 75%，Al的原子百分比為22 28% ；Al合金中Al的重量百分比為99. 0 99. 9% ；(2)將!^e3Al合金和Al合金工件用壓頭壓緊，以強(qiáng)化層作為中間層，放置在真空室 中進(jìn)行擴(kuò)散連接，采用的擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為500 640°C下保溫30 90min Je3Al合金和 Al合金所受壓力15 20MPa，真空度為KT2Pa KT3Pa ；加熱過(guò)程中為了獲得均勻的溫度分布，采用5 10°C /min的加熱升溫速度和臺(tái)階 式加熱方式，即分別在195 205°C和395 405°C下保溫8 15min ；達(dá)到保溫時(shí)間后，將真空室冷卻到80 110°C后將工件取出，得到!^e3AVAl復(fù)合 結(jié)構(gòu)。!^e3Al合金與Al合金之間的界面處形成厚度約10_30 μ m的過(guò)渡層，接頭處沒(méi)有裂 紋形成。本發(fā)明的特點(diǎn)是采用噴丸或者表面機(jī)械研磨的方式在!^e3Al或者Al合金表面通 過(guò)塑性變形制備強(qiáng)化層，強(qiáng)化層與基體的結(jié)合性能良好。以強(qiáng)化層作為強(qiáng)化擴(kuò)散的中間層， 強(qiáng)化 ^3Α1/Α1異種金屬擴(kuò)散焊接，可以降低擴(kuò)散焊時(shí)所需要的壓力，縮短擴(kuò)散焊接頭形成 所需要的時(shí)間。借助強(qiáng)化層中納米晶或者超細(xì)晶的快速擴(kuò)散通道，可以加快原子的擴(kuò)散，實(shí) 現(xiàn)I^e3Al合金與Al合金的快速擴(kuò)散焊接調(diào)節(jié)接頭中界面過(guò)渡區(qū)的相構(gòu)成。此外，該方法操 作簡(jiǎn)單，處理時(shí)間短，設(shè)備投資小，對(duì)材料前期的表面處理要求較低。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1(I)Fe3Al合金和Al合金的預(yù)處理取化學(xué)成分為73i^e-25Al-2Cr at. %的!^e3Al合金，表面未經(jīng)機(jī)械清理直接進(jìn)行表 面塑性變形，用直徑2 8mm鋼珠，表面機(jī)械研磨15min可以在!^e3Al合金表面制備得到厚 度10 30 μ m的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層表層的晶粒為粒徑20 50nm的納米晶。1060A1合金(Al 99. 6wt% )的表面采用200Cw、400Cw和600Cw水砂紙逐級(jí)打磨。 再將!^e3Al合金和Al合金表面分別用乙醇(或丙酮)進(jìn)行化學(xué)清洗后吹干。(2)將!^e3Al合金和Al合金工件用壓頭壓緊，強(qiáng)化層作為中間層位于!^e3Al合金和Al合金工件之間，放置在真空室中進(jìn)行擴(kuò)散焊。采用的擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為550°C下保溫90min，F(xiàn)e3Al合金和Al合金所受壓力為 19MPa，真空度10_2Pa 10 .加熱的升溫速度10°C /min，加熱過(guò)程中分別在200°C和 400°C保溫 IOmin。達(dá)到保溫時(shí)間后，通過(guò)水循環(huán)冷卻，將真空室冷卻到100°C時(shí)，將Fe3AlZAl復(fù)合結(jié) 構(gòu)接頭取出。用掃描電鏡對(duì)!^e3AVAl接頭的觀察顯示，形成了厚度11_30 μ m的過(guò)渡層，過(guò)渡層 與!^e3Al和Al合金的基體結(jié)合良好，接頭處沒(méi)有裂紋形成。實(shí)施例2(1)取化學(xué)成分為73Fe-25Al_2Cr at. %的!^e3Al合金，表面未經(jīng)機(jī)械清理直接 進(jìn)行表面塑性變形，用直徑2 8mm鋼珠噴丸5min，可以在!^e3Al合金表面得到厚度10 30 μ m的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層表層局部為粒徑為100 120nm的超細(xì)晶，其余部分為粒徑20 50nm的納米晶。1060A1合金(Al 99. 6wt% )的表面采用200Cw、400Cw和600Cw水砂紙逐級(jí)打磨。
再將!^e3Al合金和Al合金表面分別用乙醇(或丙酮)進(jìn)行化學(xué)清洗后吹干。(2)將 ^3Α1合金和Al合金工件用壓頭壓緊，強(qiáng)化層作為中間層位于 ^3Α1合金 和Al合金工件之間，放置在真空室中進(jìn)行擴(kuò)散焊。采用的擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為640°C下保溫30min，F(xiàn)e3Al合金和Al合金所受壓力為 19MPa,真空度10’a 10_3Pa。加熱的升溫速度5°C /min,加熱過(guò)程中分別在200°C和400°C 保溫IOmin。達(dá)到保溫時(shí)間后，通過(guò)水循環(huán)冷卻，將真空室冷卻到100°C時(shí)，將Fe3AlZAl復(fù)合結(jié) 構(gòu)接頭取出。用掃描電鏡對(duì)!^e3AVAl接頭的觀察顯示，形成了厚度11_22 μ m的過(guò)渡層，過(guò)渡層 與!^e3Al和Al合金的基體結(jié)合良好，接頭處沒(méi)有裂紋形成。
權(quán)利要求
1.強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備!^3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)對(duì)!^e3Al或者Al合金進(jìn)行表面塑性變形，在表面制備由超細(xì)晶或者納米晶構(gòu)成的 強(qiáng)化層；對(duì)未經(jīng)過(guò)表面塑性變形的Al合金或!^e3Al合金的表面進(jìn)行機(jī)械清理和化學(xué)清洗并干 燥；用砂紙逐級(jí)打磨后，再用醇類(lèi)(如乙醇)或者丙酮清洗后吹干；(2)將!^e3Al合金和Al合金工件用壓頭壓緊，以強(qiáng)化層作為中間層，放置在真空室中進(jìn) 行擴(kuò)散連接，采用的擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為500 640°C下保溫30 90min，F(xiàn)e3Al合金和Al 合金所受壓力15 20MPa，真空度為KT2Pa KT3Pa ；(3)達(dá)到保溫時(shí)間后，將真空室冷卻到80 110°C后將工件取出，得到!^e3AVAl復(fù)合 結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟 (1)中所述的強(qiáng)化層厚度10 30um，納米晶粒徑為20 50nm ；超細(xì)晶粒徑為100 120nm。
3.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備!^e3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟 (1)中所述在!^e3Al或者Al合金表面制備強(qiáng)化層的方式是噴丸或者表面機(jī)械研磨。
4.權(quán)利要求3所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備!^e3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，采用 直徑2 8mm的鋼球噴丸5 20min。
5.權(quán)利要求3所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備!^e3AVAl復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，采用 直徑2 8_的鋼球表面機(jī)械研磨5 20min。
6.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟(1)所述機(jī)械清理為用砂紙逐級(jí)打磨，所述化學(xué)清洗使用的溶劑為醇類(lèi)或丙酮。
7.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述 Fe3Al合金中，!^e的原子百分比為65 75%，Al的原子百分比為22 觀％。
8.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述 Al合金中Al的重量百分比為99.0 99.9%。
9.權(quán)利要求1所述強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備 ^3Α1/Α1復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟(2)所述加熱升溫速度為5 10°C/min,并分別在95 205°C和395 405°C下保溫8 15min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種強(qiáng)化層擴(kuò)散連接制備Fe3Al/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。用噴丸或表面機(jī)械研磨在合金表面制備超細(xì)晶或者納米晶構(gòu)成的強(qiáng)化層，然后以強(qiáng)化層作為中間層進(jìn)行擴(kuò)散連接，得到Fe3Al/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3Al合金與Al合金之間的界面處形成厚度約10-30μm的過(guò)渡層，接頭處沒(méi)有裂紋形成。該方法操作簡(jiǎn)單，處理時(shí)間短，設(shè)備投資小，對(duì)材料前期的表面處理要求較低。
文檔編號(hào)B23K20/24GK102069295SQ201010580640
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者任江偉, 徐培全, 韋媛 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)