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Fe3Al金属间化合物独特的性能使其具有很好的应用前景,但由于Fe3Al属脆硬材料,其熔焊具有很大难度。本文采用填丝钨极氩弧焊(TIG)和焊条电弧焊(SMAW)针对Fe3Al以及Fe3Al/18-8钢和Fe3Al/Q235钢的焊接性进行试验研究。以扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高温差示扫描量热仪(DSC)和ANSYS有限元分析软件等为主要研究手段,以钨极氩弧焊(TIG)接头为研究重点,揭示Fe3Al焊接区微观组织结构与接头性能的内在联系。系列工艺性试验结果表明,钨极氩弧焊(TIG)采用Cr23-Ni13填充材料,焊接热输入5.5-6.9 kJ/cm;焊条电弧焊(SMAW)采用E310-16型焊条,焊接热输入9.8-11.5kJ/cm,可获得组织性能良好的Fe3A1焊接接头。其中,Fe3Al/Q235接头的剪切强度最大(591.1MPa),Fe3Al/18-8接头次之,Fe3Al/Fe3Al接头最小(127.3MPa)。以接头特征区域划分为主线,展开显微组织、微观结构、裂纹和断口的针对性研究。Fe3Al接头特征区域包括均匀混合区(HMZ)、不均匀混合区(PMZ)、部分熔化区(PFZ)和热影响区(HAZ)。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235的HMZ以γ为基体,晶界上有片状先共析铁素体析出。Fe3Al/18-8接头PMZ存在残余δ、ML和Fe3Al小岛:宽约30μm的富奥氏体带以50-70°的角度沿PFZ分布。Fe3Al/Fe3Al的HMZ由大块α-Fe(Al)固溶体组成,PMZ形成Fe3Al熔化滞留层。Fe3Al焊接裂纹起源于PFZ,并沿PFZ及HAZ扩展。Fe3Al/18-8和Fe3Al/Q235钢接头剪切断口以穿晶解理断裂为主,Fe3Al/Fe3Al接头断口为沿晶断裂。Fe3Al/18-8接头区的相结构由Fe3Al、γ-(Fe,C)、FeAl、α-Fe(Al)、Ni3Al和(Cr,Fe)7C3组成;Fe3Al/Q235接头区的相结构包括Fe3Al、FeAl、Fe4Al13、α-Fe(Al)、NiAl和(Fe,Cr):Fe3Al/Fe3Al接头区相结构相对简单。Fe3Al/18-8接头HMZ中上贝氏体α相内部具有高密度位错亚结构,α板条宽度在0.3μm左右,α相和γ相之间存在(110)α//(111)γ、[001]α//[101]γ的位相关系。下贝氏体α相板条宽度在0.2-0.5μm之间。PMZ中的ML板条宽度约为40nm,残余γ薄膜宽度为10-20nm。Fe3Al/Fe3Al接头PMZ中α-Fe(Al)相和Fe3C相之间存在(100)Fe3C//(110)α-Fe(Al);[100]Fe3C//[110]α-Fe(Al)的位相关系。揭示焊接条件下Fe3Al B2与DO3有序结构转变的两种模式:位错密度较大处为间隔转变模式;位错密度较低处DO3结构从B2结构中呈球形析出转变模式,并以间隔转变模式为主。DO3-B2相变温度和热焓变化焊后出现不同程度的降低,且焊接热输入越小,降低幅度越大,DO3-B2转变逐渐向低温发展。在表征分析、热力学分析的基础上,建立DO3-B2转变的数学模型,通过控制焊接热输入,可获得DO3与B2结构比例不同的Fe3Al接头,适用不同的工作条件。在组织结构分析的基础上,对Fe3Al/18-8接头的应力分布进行研究。将Fe3Al/18-8接头应力区划分为应力突变区、应力过渡区和应力稳定区,分析熔合区、焊缝及热影响区不同截面的应力分布。Fe3Al侧熔合区为应力集中区域,在应力突变区主要受σy拉应力作用,σy峰值约为σx峰值的2倍;在应力稳定区主要承受σx拉应力;焊缝应力突变区主要承受σy压应力,应力稳定区主要受σx拉应力作用:Fe3Al热影响区应力突变区主要承受σy拉应力,应力稳定区则主要为σx压应力。本文解决了Fe3Al脆性材料熔焊时的裂纹问题,特别是在不预热条件下的焊接裂纹问题,为Fe3Al金属间化合物的应用打下良好试验和理论基础。本文提出焊接区组织结构与应力分析相结合,以特征区域为研究主线的研究思路,采用表征分析、热力学分析与数学分析相结合的研究手段,为高脆性材料的焊接研究提供思路。