稀土元素Y在Mg-Al-Zn基钎料中的作用及热力学行为研究

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镁合金钎焊具有加热温度低、焊件变形小、生产效率高等特点,尤其适用于连接复杂、精密、多钎缝结构,对镁合金的应用具有重要的意义。目前镁合金钎焊技术还不是很成熟,还没有广泛应用的镁合金钎焊材料。针对现有的镁合金钎料熔点高,钎焊接头强度较低的问题,通过添加微量的合金元素,改善镁合金钎料合金的性能是一种重要的方法。稀土元素Y与Mg的晶格结构相似,可以作为异质形核,对镁基合金具有细晶强化作用;且Y在镁中的固溶度较大,对镁基合金的固溶强化效果显著。因此本文以Mg-Al-Zn钎料为基础研究对象,在其中添加不同含量的稀土元素Y,研究了稀土元素Y对钎料熔化特性、微观组织以及在超声波辅助条件下钎料的铺展性能、填缝性能和钎焊接头剪切强度的影响,并利用周模型对Mg-Al-Zn-Y四元合金体系组元活度进行了热力学计算。   研究结果表明:设计和制备的含稀土Y的Mg-Al-Zn基钎料具有良好的熔化特性,尽管添加稀土元素Y后,钎料的液相线温度上升6~7℃,但三种钎料的固液温度区间均小于10℃,有利于避免母材过烧,提高钎焊接头质量。同时钎料具有良好的铺展和填缝性能,铺展面积最大为80.4m㎡,单位时间的填缝长度可达32.6mm/s。   通过SEM、EDS和XRD等方法对钎料合金和接头界面进行了分析。研究结果表明:Mg-Al-Zn-Y试验用钎料主要由α-Mg固溶体、MgAlZn共晶组织、MgZn化合物相、Al-Y化合物析出相组成。稀土元素Y的加入,改变了α-Mg的生长方式,由不规则状向树枝晶转变。随着稀土元素Y含量的增加,α-Mg枝晶逐渐细化,并且组织中稀土化合物相增加,甚至有大片状稀土相析出,并伴随有偏聚现象。   在超声波辅助钎焊条件下,随着超声时间的增加,三种钎料钎焊接头的剪切强度呈先上升后减小的趋势,1#钎料(Mg-Al-Zn-0.5Y)在超声时间2s时,接头剪切强度达最大值79.4MPa,接头界面连接紧密,有明显的反应层,此时,钎焊接头断裂于钎缝处。   通过采用周模型对Mg-Al-Zn-Y四元合金元素间活度相互作用系数和活度系数进行了计算,结果表明:稀土元素Y与Al活度相互作用系数负值倾向更大,说明Y与Al形成化合的倾向更强烈,而稀土元素Y与Mg和Zn基本不形成化合物或形成化合物的趋势很小,Y对Mg、Zn起表面活性元素的作用。
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