【摘 要】
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采用电磁脉冲焊接技术对钢/铝异种金属材料进行搭接焊接试验,围绕钢/铝电磁脉冲焊接接头力学性能、宏观形貌、界面腐蚀产物及其腐蚀机理展开研究。并以典型的Fe-Al金属间化合物作为计算对象,运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对其进行建模及结果计算,对接头Fe-Al金属间化合物的稳定性与耐腐蚀性展开探索。首先是采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及X射线衍射分析(XRD),分析了焊接接
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采用电磁脉冲焊接技术对钢/铝异种金属材料进行搭接焊接试验,围绕钢/铝电磁脉冲焊接接头力学性能、宏观形貌、界面腐蚀产物及其腐蚀机理展开研究。并以典型的Fe-Al金属间化合物作为计算对象,运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对其进行建模及结果计算,对接头Fe-Al金属间化合物的稳定性与耐腐蚀性展开探索。首先是采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)以及X射线衍射分析(XRD),分析了焊接接头结合界面及其物相组成。其次利用第一性原理计算方法,构建铝基体、铁基体与Fe-Al金属间化合物的原子模型,计算其结构的稳定性、表面能、电子功函数以及本征电势差,分析了金属间化合物的耐腐蚀性。最后,对焊接接头进行中性盐雾腐蚀试验,利用失重法计算其腐蚀速率,分析焊接接头腐蚀形貌及腐蚀产物揭示其腐蚀机理。(1)钢/铝电磁脉冲焊接接头呈对称性环状特征,通过SEM观察其接头形貌特征。焊接接头由中间未焊接区域、焊接区域以及外部未焊接区域三部分构成。其中焊接区域的结合界面形式主要呈现为波状互锁结构,且沿焊接方向,一定结合区范围内,结合界面的波形大小(波高和波长)在波状结合界面区域呈逐渐增大的趋势。在靠近中间未焊接区域处刚开始形成波状结构时,其波高为3.081μm、波长为30.595μm,当波形大小达到波高为4.919μm,波长为51.622μm时,受冲击角度和冲击速度的影响,结合界面以近似直接结合的形式存在,直至最后形成外部未焊接区域。(2)钢/铝电磁脉冲焊接试验在冲击过程中,高速碰撞引起的剧烈塑性变形会导致碰撞点周围形成一个高压和高温区,促进了该区域的冶金反应。在几微秒内发生的塑性变形会导致局部温度升高甚至熔化,高温高压可能导致金属间化合物的生成。通过对断口形貌进行SEM分析,焊接过程中,产生的粒子流在撞击钢板表面时部分滞留在直焊缝外围区域,形成一个有粒子流滞留的带状区域。而钢颗粒在撞击铝板后飞走,同时冲掉铝板表面氧化膜并留下的坑,使得铝基体裸露在表面,同样在直焊缝区域外围形成含撞击孔的带状区域。受洛伦兹力的影响使得在环形焊缝区域外围无相应的带状结构。对断口处进行EDS分析,在钢侧的直焊缝区域存在Fe2Al5相,环形焊缝区域存在Fe Al3相。在铝侧的直焊缝区域存在Fe Al相,环形焊缝区域存在Fe Al3相。(3)利用第一性原理对铝基体、钢基体以及铁铝金属间化合物的结构稳定性和功函数进行计算,理论结果与实验中金属间化合物的生成一致。由此可知,第一性原理计算可以用于Fe-Al金属间化合物结构稳定性判断以及其在接头处腐蚀倾向性的预测。通过对其形成能和结合能的计算,其中Fe2Al5的形成能最小,与形成能最大的Fe Al2相差非常大,且结合能也是最小,相比另外的FexAly相是最稳定同时也是最容易生成的相。Fe Al6和Fe Al2具有最大结合能和较大的形成能,说明Fe Al6和Fe Al2是FexAly相中最不稳定且比较难生成的相。其它金属间化合物的稳定性则是介于Fe Al与Fe Al2、Fe Al6之间。(4)通过对基体与Fe-Al金属间化合物的电子功函数和本征电势差进行计算,Fe-Al金属间化合物与铝基体之间的电子功函数和本征电势差差值为正值。当其处于电化学环境时,有电子功函数小的铝基体充当阳极相优先被腐蚀,其次Fe-Al金属间化合物与铝基体之间的腐蚀顺序为:Al>Fe Al6>Fe Al2>Fe Al3>Fe4Al13>Fe2Al5>Fe2Al>Fe Al>Fe3Al。(5)通过中性盐雾腐蚀试验对计算结果进行验证,证明模拟计算的可靠性。在钢/铝电磁脉冲焊接搭接接头间隙处,撞击过程中粒子流冲掉表面氧化膜,使Al基体裸露出光鲜的表面,以及Al粒子滞留在钢侧表面。结合计算结果,Al的电子功函数值低于Fe-Al金属间化合物和Fe基体的功函数值。在中性盐雾试验中,腐蚀首先发生在接头间隙处,并随着腐蚀周期的延长,侵蚀有间隙位置自纵至横逐渐扩散,直至侵蚀整个焊缝。腐蚀的主要原因是由于铝基体、铁基体以及Fe-Al金属间化合物之间存在电势差,腐蚀顺序与计算结果一致。
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