高熵合金在钎焊和表面工程领域的应用研究进展

随着合金制造水平的提高及性能要求的复杂化,高熵合金逐渐引起极大的关注.目前在材料加工领域内的研究主要集中于钎焊和表面工程两大方向.在钎焊领域,高熵合金可以作为钎焊填充材料应用于高温和低温钎焊,本文归纳了合金高熵化的相关经验参数,阐述了第一性原理计算和相图计算等模拟计算手段在高熵合金填充材料设计领域内的应用;详细介绍了高熵合金钎料在镍基高温合金、陶瓷-金属异种材料、低温封装等连接领域的最新研究进展.同时,分析了工艺参数对高熵合金钎料钎焊接头组织与性能的影响.在表面工程领域,论述了高熵合金薄膜/涂层的应用方向与制备手段,总结了在高温防护涂层、硬质保护层以及其他应用领域的研究进展.同时归纳了高熵合金在钎焊和表面工程领域研究和应用中存在的问题,而未来将在降低钎料熔点、提高焊缝高温力学性能以及发展共晶高熵合金钎料/涂层等领域进一步提高研究水平.     

电流辅助下CoFeCrNiCuTi2高熵合金钎焊SiC陶瓷接头组织与性能

采用电流辅助连接技术，以CoFeCrNiCuTi₂高熵合金为连接层材料，在1125℃的温度下，实现了SiC陶瓷的快速钎焊，提高了连接效率的同时保证了元素的充分扩散，系统研究了钎焊温度对连接接头界面微观结构和力学性能的影响。结果表明：所获得的钎焊接头无明显缺陷，焊缝组织主要由高熵FCC相、TiC相、Cr₂₃C₆相组成。界面致密的TiC反应层的形成在一定程度上抑制了高熵合金的分解和金属间化合物的生成，并缓解了SiC基体界面与高熵合金钎料之间的热应力。同时，由于高熵合金钎料的迟滞扩散效应，焊缝中心主体钎料仍保持高熵合金的FCC结构。力学性能测试表明：钎焊接头强度随钎焊温度升高呈先降低后增大的变化趋势。当连接温度为1125℃时，碳化硅接头获得最大弯曲强度，达到37 MPa,高于普通镍基钎料约21.3 MPa。     

高熵合金中间层对TiNi/TC4电子束焊接头组织及性能影响

目的 解决TiNi/TC4异种金属的焊接问题,扩大此2种金属的结合应用.方法 选用3 mm×40 mm×0.5 mm的FeCoCrNiMn高熵合金薄片作为中间层,采用电子束焊接方法焊接TiNi/TC4.对形成的接头进行宏观分析,采用电子显微镜以及X射线衍射仪对其微观组织进行表征;通过拉伸和硬度测试,分析该接头的力学性能.结果 接头宏观成形存在裂纹缺陷,观察微观组织发现,在焊接接头中只形成了AlTi3相和Ni0.35Al0.30Ti0.35相,没有形成Ti2Ni相.接头的抗拉强度为81.8 MPa,伸长率为4.38％,平均显微硬度为HV661,断口呈脆性断裂特征.结论 将高熵合金作为中间层焊接TiNi/TC4是一种有效的方法,可以成功实现异种金属的焊接,中间层的存在可以有效调控焊缝中的析出相种类.     

铝/镁异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展

汽车轻量化是实现燃油汽车节能减排、新能源汽车增程降耗的有效手段,已成为汽车工业可持续发展的必经之路.多材料混合车身在兼顾安全与成本的基础上,通过轻质材料和先进制造工艺的合理使用来降低车重,是目前汽车轻量化的主流研究方向之一.作为铝、镁资源大国,发展铝?镁混合车身结构及相应的连接技术是符合我国国情的汽车轻量化解决路径.然而,氩弧焊、电阻焊、高能束焊等熔焊技术难以制备高质量铝/镁异质接头,液态焊材剧烈反应在连接界面处形成的粗大晶粒和Al?Mg金属间化合物极易造成接头发生组织恶化、性能下降等问题.搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是一种新型固相焊接技术,其通过搅拌头产生的摩擦热促进金属材料的塑性变形以提高其互相混合程度,从而实现焊材的连接,在铝、镁异种合金的连接方面具有广阔的应用前景,被誉为"焊接史上的第二次革命".本文从接头成形过程与微观组织、焊接工艺对接头性能的影响、接头性能的改善方法三个方面总结了铝/镁异种合金FSW技术的研究进展,针对搅拌头结构优化、超声振动辅助FSW、添加中间层或钎料、复合焊接技术等接头性能改善的最新研究结果,展望了常规和改型FSW技术未来的重点研究方向,旨在为铝、镁异种合金的连接及高质量铝/镁异质接头的设计与制备提供参考.     

Sn8Zn3Bi-xCu/Cu焊接接头界面反应及力学性能研究

以Sn8Zn3Bi为研究对象,采用微合金化方法研究了不同含量的Cu元素对其显微组织、钎料合金与Cu基板钎焊后的界面金属间化合物(IMC)层尺寸及焊接接头剪切强度的影响。结果表明,Sn8Zn3Bi-xCu/Cu(x=0.3,0.5,0.8,1.0,1.5)焊接界面IMC主要为层状Cu5Zn8相。随着Cu含量的增加,界面IMC层的厚度逐渐减小,接头的剪切强度逐渐提高,Sn8Zn3Bi-1.5Cu/Cu接头剪切强度较Sn8Zn3Bi/Cu显著提高。经120℃时效处理后,Sn8Zn3BixCu/Cu(x=0,0.3,0.5,0.8,1.0,1.5)焊接接头剪切强度都明显下降,接头断裂方式由韧性断裂转为局部脆性断裂,但添加了Cu元素的钎料界面IMC生长速度较Sn8Zn3Bi钎料慢,因此Cu元素的添加抑制了界面IMC层的生长。     

铝/镁搅拌摩擦焊-钎焊焊接接头微观组织结构

目的研究不同工艺参数下钎料Zn的添加对Al/Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊焊接接头组织和性能的影响。方法以厚度为0.05 mm的纯Zn作为钎料,对3 mm厚的2A12-T4态铝合金和4 mm厚的AZ31变形镁合金,进行搅拌摩擦焊-钎焊的复合焊接,分析锌夹层的添加对接头微观组织与力学性能的影响。结果当添加Zn中间层时,接头钎焊区缓解了拉伸断裂趋势,在焊接速度为23.5 mm/min,旋转速度为375 r/min时,接头抗拉剪力达到5.5 k N,复合焊接接头的钎焊焊缝由搭接区、固相扩散区、钎焊区组成。结论钎料的添加有效阻止了Al-Mg系金属间化合物的形成。     

铝/铜异种材料交变磁场辅助电弧熔钎焊接头组织和性能

添加纵向交变间歇磁场,采用ER5356铝镁焊丝作为填充金属,对T2紫铜板和2A16铝合金板进行熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)对接试验,通过研究不同励磁电流IE和励磁频率f等磁场参数下的接头成形、界面组织结构和接头力学性能,得到接头的最佳工艺范围.结果表明:引入磁场实现了铝铜异种材料MIG熔钎焊接头的有效连接.铜侧钎缝连接界面层由金属间化合物(IMC)层和过渡层组成,其中IMC层为AlCu+Al2Cu化合物,过渡层组织为α-Al+S(Al2CuMg)/Al2Cu相.IMC层与过渡层犬牙交错,起到"机械咬合"的效果,提高接头强度.随着励磁电流的增加,IMC层平均厚度先减小后增大,抗拉强度先增大后减小;随着励磁频率的增加,抗拉强度逐渐减小.最佳工艺范围为:IE=0.5～0.7 A、f=15～25 Hz、IMC层平均厚度d=14.3～15.8μm,此时接头成形表现良好,抗拉强度较高.当IE=0.6 A,f=15 Hz,接头的抗拉强度最高达到135.47 MPa.此时界面层显微硬度为252.8HV,明显高于焊缝和母材,这可能是IMC层处呈脆硬性的AlCu和Al2Cu金属间化合物所致.     

利用金属间化合物增强陶瓷钎焊接头 --接头组织与界面反应

为了提高Si3N4陶瓷连接接头高温性能及减小接头因热膨胀系数不匹配而产生的应力,采用Ag-Cu-Ti钎料和NiTi复合中间层进行半固态连接.接头组织观察表明,钎缝主要由NiTi(Cu)金属间化合物和Ag-Cu基体组成.研究表明,Ni与Ti的加入量对于钎缝中金属间化合物的形态及钎缝与母材界面反应层的形成具有十分重要的影响.     

铝/钢异种材料钎焊研究现状与发展趋势

"低碳环保,节能减排"已经成为国家实现可持续发展的重要环节,而如何实现汽车轻量化、减少温室气体的排放则成为汽车行业的前沿课题。采用高强度铝合金材料部分代替结构钢,是减轻汽车质量的一种有效途径,而铝合金与钢之间焊接接头的质量是衡量铝/钢结构可靠性的重要指标。实现铝合金与钢之间可靠连接的主要难点是两种材料的物理化学性能差异很大,常温下两者几乎不互溶,且容易发生反应生成Fe-Al脆性金属间化合物,严重影响铝/钢焊接接头的质量。而铝合金与钢的钎焊可通过调节钎料成分或改变焊接工艺等方法来控制接头脆性金属间化合物的形成,近年来受到了国内外学者的广泛关注并取得了突破性进展。目前,铝/钢钎焊的研究主要集中在钎焊材料改性和钎焊工艺优化两个方面。钎剂的改性就是向Nocolok钎剂中加入活性剂,增强钎剂对铝合金和不锈钢两种材料表面氧化膜的同时去除作用,改善钎料在母材上的润湿性;钎料的改性主要是通过微合金化的方法向钎料中添加微量的合金元素,通过改变钎料的化学成分来改善钎料基体的组织和性能,近年来取得了大量的研究成果并在工业生产中得到广泛应用,如添加Cu、Ag等元素均可以显著改善钎料的力学性能和可靠性。在钎焊工艺方面,钎焊温度和保温时间直接影响钎料的填缝和钎料与母材的相互作用,并决定钎焊接头的质量。除此之外,在不锈钢表面预镀一层中间相也是相关学者研究的重点课题,镀层金属可以限制Fe原子与钎料中Al原子的相互扩散,降低界面脆性金属间化合物层的厚度,从而提高钎焊接头的力学性能。本文综合评述了铝与钢异种材料钎焊的研究进展。首先介绍了铝合金与钢常用的几种钎焊方法,以及每种钎焊方法各自的特点和应用范围;然后综述了钎焊材料的改性及钎焊工艺的优化对铝/钢钎焊接头性能的影响,并对其作用机理进行了分析;最后整理了目前铝/钢异种金属钎焊存在的问题及相应的解决措施,并对其未来的研究和发展趋势进行了展望,以期为铝/钢连接技术的发展以及最终在汽车行业的广泛应用提供有益的参考。     

Al2O3陶瓷/AgCuTi/可伐合金钎焊接头力学性能

为实现Al2O3陶瓷与可伐合金的可靠连接,分析影响接头力学性能的因素,测试了Al2O3陶瓷/AgCuTi/可伐合金钎焊接头的抗剪强度,通过光学显微镜、SEM及EDS对断口形貌、成分进行分析,确定了断裂路径.研究表明,钎焊温度为900 ℃,保温时间为5 min时,接头抗剪强度最高,达144 MPa.此时,断裂大部分发生在Al2O3陶瓷/钎料界面处,小部分发生在界面中的TiFe2、TiNi3金属间化合物层.钎焊温度升高,保温时间延长时,界面上出现大量的TiFe2、TiNi3金属间化合物,界面性能弱化,断裂发生在TiFe2、TiNi3金属间化合物层,造成Al2O3陶瓷/AgCuTi/可伐合金接头连接强度降低.