AZ31镁合金与5083铝合金瞬间液相扩散连接研究

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随着国内工业的高速发展,被称为21世纪最具发展潜力的绿色工程材料镁合金,在汽车等交通行业中的应用受到了前所未有的重视。铝合金目前是应用最广泛的有色金属之一,在镁合金与铝合金的推广应用中,不可避免的要面临镁合金与铝合金的连接问题,连接质量的优劣,将直接决定镁合金与铝合金连接的实际应用价值。关于两者的连接,存在两大难点,首先,镁合金与铝合金均易氧化,特别是铝合金表面形成的三氧化二铝,熔点非常高,在连接过程中非常稳定,阻碍了原子之间的扩散;另外,镁合金与铝合金连接界面非常容易形成多种脆性相金属间化合物,使得接头强度较低。因此,关于两者连接的研究受到了学术界和工程界科研工作者的高度重视。  本文采用瞬间液相扩散连接对镁合金AZ31和5083铝合金进行了连接试验,瞬间液相扩散连接同时具备熔焊和扩散焊两种连接方法的优势,在连接试验中,主要采用不加中间层和以纯Zn、非晶态 AgCu合金及纯Ag为中间层四种工艺,并且尝试了脉冲加压的加载方式和过冷连接工艺,借助拉伸实验机、金相观察、显微硬度测试、扫描电镜观察、能谱分析、X射线衍射等分析手段研究分析了这几种工艺对接头组织和性能的影响。  研究表明,镁合金与铝合金不加中间层的瞬间液相扩散连接,在各种工艺条件下均实现了两者的有效连接。主要研究了保温扩散时间对接头强度的影响。随着扩散时间的延长,接头的强度随之升高,但升高的趋势逐渐减弱。另外,相对于恒压非过冷工艺的接头,施加脉冲加压加载方式和过冷工艺可以显著提高接头的强度,最高强度达到32.5MPa。造成接头强度较低的主要原因是在接头中形成了MgAl、MgAl2、Mg2Al3、Mg17Al12和Mg0.44Al0.56几种脆性金属间化合物。  针对上面连接过程中存在的由于直接接触连接形成大量金属间化合物导致接头强度较低的问题,研究了镁合金与铝合金夹层瞬间液相扩散连接,分别研究了标准瞬间液相扩散连接、脉冲加压瞬间液相扩散连接和脉冲加压过冷瞬间液相扩散连接三种工艺,主要研究参数为保温扩散时间、连接温度和脉冲上限压力对接头组织和性能的影响。  纯Zn做中间层的连接试验表明:相对于镁合金与铝合金直接接触的瞬间液相扩散连接,接头强度有所改善。在T1=390℃,t1=10s,T2=350℃,t2=30min,脉冲加压2-5Mpa(f=0.5Hz,n=900次)的连接工艺下,接头强度最高达46MPa。接头显微硬度分析发现,在接头中间位置出现了较高的峰值硬度,最高达170。接头的XRD结果表明,在接头中镁合金与中间层的接触一侧形成了金属间化合物MgZn2,一定程度上降低了接头的力学性能。  非晶态AgCu合金做中间层的研究表明,在500℃保温5-20min,在保温过程中施加5MPa的压力,保温15min的接头最高强度达到了135MPa,随着保温扩散时间的延长,接头强度出现了先升高后降低的现象,经过对断口能谱分析,发现在保温20min的接头结合界面,局部中间层完全参与了反应,使得镁和铝接触,形成了Al3Mg2。鉴于上面的结果,脉冲加压过冷工艺将保温扩散时间缩短到3-12min,在540℃保温30s,然后以10℃/s的速度将温度降至480℃保温12min,在保温过程中施加2-5MPa的脉冲压力,接头强度最高达141MPa。还研究了脉冲上限压力对接头强度的影响,随着脉冲上限压力的升高,接头强度随之升高,当上限压力为20MPa时,接头强度达到149MPa,但是接头的压缩率高达20%。以非晶态 AgCu合金做中间层的接头拉伸断口出现了大量韧窝组织。  以纯Ag做中间层的脉冲加压过冷瞬间液相扩散连接,在540℃保温30s,然后以10℃/s的速度将温度降至480℃保10min,在保温过程中施加2-10MPa的脉冲压力的工艺条件下,获得了本研究所有接头的最高强度162MPa。对以纯Ag做中间层的接头,分为Al/Ag扩散连接和Ag/Mg瞬间液相扩散连接分别讨论了接头的形成过程。  通过本试验研究表明,选择合适的中间层材料可以实现镁合金与铝合金脉冲加压过冷瞬间液相扩散的高强度连接。脉冲加压和过冷工艺促进了原子的扩散,实现了两者的快速高强度连接,改善了接头组织,为异种金属的连接提供了新的思路。
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