MnCuAl阻尼合金与430不锈钢异质钎焊界面结合机制及工艺研究

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MnCu合金具有高阻尼性能、优良的强度和塑性等机械性能、良好的加工性能,适量添加Al元素会提高Mn Cu合金的耐蚀性能,因此,MnCuAl合金在船舶、轨道交通、仪器制造等领域的减振降噪材料中极具发展前景。高阻尼MnCuAl合金与430不锈钢(SS)的高强度连接,能够使两种材料的性能实现优势互补,对于拓宽MnCuAl合金的工程应用具有重要意义。感应钎焊是实现异种金属连接的有效方法,但异种金属的成分多样性给钎焊接头力学性能的提高带来了困难。作为钎焊的关键因素,钎料的熔化特性、钎料在基体表面的润湿性直接影响着钎焊接头界面冶金结合强度。而接头中金属间化合物(IMC)会使钎缝组织不均匀,降低接头剪切强度。本文针对上述问题,开展了相关研究,为MnCuAl合金与430SS的高强度连接提供实践和理论参考。论文的主要研究内容和结果如下:(1)研制了六种含Sn量的钎料,探究Sn元素含量对Cu-34Mn-6Ni钎料微观组织、力学性能、熔化特性的影响规律和机理。结果表明,在720℃、保温10h的固溶条件下,Sn在Cu-34Mn-6Ni合金中的饱和固溶度约为6 wt.%,当Sn含量≥6 wt.%时,在合金组织的基体相γ-(Cu,Mn)之间产生具有体心立方结构的富锡相Cu17Sn3,此相的数量随Sn含量的增加而逐渐增加,并在含Sn量为10 wt.%的钎料中占比超过基体相。Sn的加入会引起钎料基体相发生晶格畸变,基体相的晶格常数随着Sn含量增加而逐渐增大,最大时其变化率可达到0.7253%。当Sn固溶于基体相中时,对钎料的拉伸强度、塑性几乎无影响,而富Sn相的形成会使钎料的拉伸强度显著升高而塑性显著降低。Sn含量的升高使钎料液相点显著降低。富Sn相的液相点低于基体相液相点,因而使钎料熔化区间宽化。在Sn含量为6 wt.%时钎料的熔化区间最大,之后随着Sn含量的进一步增加宽化程度减小。(2)通过钎料在430SS表面的润湿试验,分析了钎料在430SS表面的铺展特征,Mn元素在钎剂的主导作用下渗透氧化膜,随之富Mn(无Sn钎料)、富Sn相熔化铺展并形成前驱膜,最后主体钎料铺展。在润湿温度高于钎料液相点50℃的条件下,由于富Sn相液相点低于钎料主体的液相点,使得富Sn相表面张力明显降低,因此,富Sn相的存在促进了钎料在母材表面铺展。钎料在430SS侧表现为以元素扩散为主要机制的界面润湿,钎料中Mn、Ni等向母材中扩散,导致界面层中发生相变,使得原母材中BCC结构的α-(Fe,Cr)相转变为FCC结构的γ-(Fe,Mn)相,且部分γ-(Fe,Mn)相颗粒从界面层中脱落进入钎料。同时,润湿过程中有金属间化合物(Fe,Mn)2B生成。相转变、晶粒脱落、以及IMC的生成等会随着温度升高而加剧,使得钎料在更高温度下铺展时润湿角下降幅度减缓。(3)探索了钎料在MnCuAl阻尼合金表面的铺展行为,并揭示了润湿机理。由于钎料主组元与母材合金成分相近,钎料在MnCuAl合金表面铺展面积大,润湿角接近0°,铺展性能优异。钎料与MnCuAl合金冶金结合时,出现了晶界渗透和联生结晶现象。其机制为,Sn元素向母材扩散,在晶界处富集到一定浓度(4 wt.%)后使晶界液化,即发生晶界渗透,进而母材晶粒部分液化并与钎料互溶,最后冷却结晶时熔融液相以半液化的母材晶粒为基础外延生长,形成联生结晶。(4)进一步,对430SS/MnCuAl合金进行高频感应钎焊,表征接头组织和各区域显微硬度,并分析温度、钎料成分对组织和硬度的影响。分析表明:钎焊接头由7个区域组成,依次为430SS、430SS与钎料之间的扩散溶解层、430SS侧的(Fe,Mn)2B化合物层、钎缝中心区、MnCuAl合金侧的(Fe,Mn)2B化合物层、MnCuAl合金与钎缝之间的扩散溶解层、以及MnCuAl合金基体。在相同钎焊温度(880℃)下,钎料中Sn含量会引起钎缝宽度、部分润湿区域的形貌和宽度、钎缝中心区硬度发生变化:6Sn、8Sn和10Sn钎料焊接后部分润湿区的宽度分别为0μm、200μm和460μm;6Sn、8Sn钎料焊后钎缝宽度基本一致,而10Sn钎缝宽度明显减小;钎缝中心区的平均硬度由6Sn至10Sn逐渐升高,与钎料本身的硬度变化趋势一致。(5)测试了接头剪切强度,观察断裂位置和断口形貌,以分析接头连接性能和薄弱区域。结果显示,用6Sn、8Sn、10Sn三种钎料所焊接头的强度均随着温度升高而增强。在880℃时,接头剪切强度分别为320 MPa、307 MPa、293 MPa,断裂形式均为混合型断裂,裂纹贯穿MnCuAl合金侧的IMC层和钎缝中心。由此可知,在钎焊接头中,IMC层是界面连接性能下降的主要原因。(Fe,Mn)2B的产生机理为:在钎焊温度下,来自于两侧母材的Si、Al原子还原B2O3进而生成B原子,B原子与从430SS侧界面脱落进钎缝中的γ-(Fe,Mn)相结合而形成含B金属间化合物。(6)在430SS表面电镀Ni能抑制接头中IMC的生成,进而在较大程度上提高接头连接强度。用8Sn钎料在860℃下钎焊,未镀Ni时,接头剪切强度为242 MPa。镀层厚度为8μm、20μm时,接头剪切强度分别为312 MPa和315 Mpa,分别为未镀层时的1.29倍、1.30倍。(7)镀层厚度为8μm时,镀Ni层完全溶解进钎料中,促进γ-(Fe,Mn)相中的Fe元素向钎料中扩散并形成固溶体,使γ-(Fe,Mn)相溶解进而在钎缝中消除。同时,镀层促进了钎料在430SS表面的润湿,增强了钎料流动性,促进了钎剂及其反应产物的排出,因此未与合金元素作用而生成B原子。这些因素的共同作用,导致接头中未形成M2B型金属间化合物。镀层为20μm时,Ni层阻隔了Mn向430SS中扩散,进而未生成γ-(Fe,Mn)相,因此从源头上抑制了IMC的生成。
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