鋁/鍍鋅鋼焊接接頭金屬間化合物熱力學(xué)分析

黃健康，劉寧，何翠翠，2，石玗，樊丁

(1.蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 廊坊 065200)

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鋁/鍍鋅鋼焊接接頭金屬間化合物熱力學(xué)分析

黃健康1，劉寧1，何翠翠1，2，石玗1，樊丁1

(1.蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.廊坊燕京職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 廊坊 065200)

摘要：針對Al/鍍Zn鋼板Pulsed DE-GMAW焊接接頭界面區(qū)金屬間化合物相的確定性研究，在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上，建立鋁/鍍鋅鋼板異種金屬焊接接頭界面Fe-Al-Zn相形成的吉布斯自由能變化的計算模型，得到Al/鍍Zn鋼板異種金屬焊接接頭Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物相形成的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能與溫度的變化關(guān)系，分析界面Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物存在的可能性，并與焊接試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。模擬結(jié)果表明：所建立的熱力學(xué)模型是合理的，在界面上形成Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，并推論了Fe2Al5Zn0.4是在Fe2Al5與FeAl3形成后，由于Zn擴(kuò)散進(jìn)入Fe2Al5的晶體空位所得到的。

關(guān)鍵詞：脈沖旁路耦合電弧焊；鋁/鋼焊接；金屬間化合物；熱力學(xué)分析

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.034.html

在鋁/鋼異種金屬焊接過程中，因兩者之間的熱物理性能差異較大，在焊接過程中極易形成一定厚度脆硬的Fe-Al金屬間化合物，且隨著化合物層厚度的增加，鋁/鋼接頭的塑性、韌性降低，從而影響焊接接頭的力學(xué)性能[1-2]。Mathieu等[3]采用激光焊實(shí)現(xiàn)了鍍鋅鋼板與鋁合金的搭接，研究發(fā)現(xiàn)鋁/鋼焊接界面區(qū)生成的金屬間化合物以Fe2Al5和FeAl3為主，且化合物層厚度小于15 μm。西本·浩司[4]等對A1050H24一種工業(yè)純鋁與SGCC-F08鍍鋅鋼板進(jìn)行激光壓力焊研究，發(fā)現(xiàn)在鋁/鍍鋅鋼板的焊接接頭界面區(qū)，不僅僅形成Fe-Al金屬間化合物，還生成了Fe2Al5Zn0.4三元金屬間化合物相。且指出，F(xiàn)e2Al5Zn0.4相的硬度明顯小于脆性化合物Fe2Al5的硬度?？芍狥e2Al5Zn0.4相的形成可以提高接頭的韌性，改善接頭的性能。針對鋁鋼界面Fe-Al化合物的成分，許多學(xué)者從熱力學(xué)的角度出發(fā)，研究了鋁/鋼界面區(qū)金屬間化合物生成的機(jī)理。馮吉才等[5]通過對鋁板和鍍鋅鋼板CMT熔釬焊的界面反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)形成FeAl3的吉布斯自由能比形成其他化合物的大的多，并且在整個溫度范圍內(nèi)均大于零，所以該化合物在焊接過程中不可能生成，而其他化合物均可以形成；Fe2Al5和FeAl3具有較低的吉布斯自由能，因而在CMT熔釬焊連接鋁板和鍍鋅鋼板時，F(xiàn)e2Al5和FeAl3兩種化合物相最容易生成。在實(shí)際焊接過程中，某種金屬間化合物是否會形核長大，需要對其形成熱力學(xué)進(jìn)行計算，進(jìn)而判斷其形成的可能性。研究異種金屬焊接過程熱力學(xué)特性，對鋁/鋼異種金屬焊接接頭金屬間化合物形成機(jī)理的深入研究具有重要意義。

文中通過脈沖旁路耦合電弧熔釬焊[6]，獲得成形良好的鋁/鍍鋅鋼焊接接頭，通過對接頭的Fe-Al-Zn三元金屬間化合物進(jìn)行分析，建立了基于相圖模型的Fe-Al- Zn三元系統(tǒng)的熱力學(xué)計算模型，分析了界面金屬間化合物的形成機(jī)理。

1Fe-Al-Zn三元系統(tǒng)的熱力學(xué)模型

1.1Fe-Al-Zn金屬間化合物的吉布斯自由能計算

對于多元混合體系，其摩爾吉布斯自由能[5]可表示為

(1)

式中：前兩項是理想部分的參考面自由焓和理想部分的混合熵，第三項是剩余部分的自由能；Xi表示組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；0Gi是組分i的吉布斯自由能，是溫度的函數(shù)；R是氣體常數(shù)；T是絕對溫度；L是A、B組元間的相互作用參數(shù)。

對于Fe-Al-Zn三元系統(tǒng)的吉布斯自由能，可根據(jù)相圖模型進(jìn)行計算。根據(jù)如圖1所示溫度為460℃時Fe-Al-Zn三元相圖[5]，鋁、鐵、鋅三者相互作用可以形成一系列Fe-Al-Zn金屬間化合物，如δ相(Fe0.1288Al0.0667Zn0.8045)、Fe2Al5Znx。

圖1　Fe-Al-Zn三元相圖[6]Fig.1　Fe-Al-Zn ternary phase diagram

將式(1)推廣到三元系統(tǒng)，故在Fe-Al-Zn三元系統(tǒng)中，所形成的金屬間化合物相的摩爾Gibbs標(biāo)準(zhǔn)自由能可表示為

(2)

式中：0GFe、0GAl和0GZn分別是純液態(tài)Fe、Al和Zn的自由能。XFe、XAl和XZn分別是Fe、Al和Zn的摩爾分?jǐn)?shù)，LFe,Zn、LAl,Zn和LFe,Al分別是Fe-Zn、Al-Zn和Fe-Al的相互作用參數(shù)。

文獻(xiàn)[7]對純液態(tài)鐵和鋁的吉布斯標(biāo)準(zhǔn)自由能0GFe的計算進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，計算如下：

純液態(tài)鐵的自由能0GFe為

(3)

(4)

(5)

其中，Tc=1 043 K為鐵的磁性轉(zhuǎn)變溫度；β=2.22為鐵的玻爾磁子數(shù)。

3.675 155×10-21T7

(6)

液態(tài)鋁和液態(tài)鋅的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能

(7)

(8)

1.2吉布斯自由能的變化

在Fe-Al-Zn三元混合系統(tǒng)中，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，反應(yīng)前后吉布斯自由能變化為

(9)

對于1 mol純鐵、純鋁或純鋅，其自由能和化學(xué)勢相等，即

在二元組分體系中，某一組分的偏摩爾吉布斯自由能即為該組分的化學(xué)勢，這一規(guī)律同樣適用于Fe-Al-Zn三元系統(tǒng)，故鐵的化學(xué)勢可表示為

(10)

將式(2)代入式(10)可得鐵的化學(xué)勢為

(11)

同理，可分別得Al和Zn的化學(xué)勢:

(12)

(13)

在Fe-Al-Zn三元混合系統(tǒng)中，形成Fe2Al5Zn0.4的方程式為

2Fe+5Al+0.4Zn=Fe2Al5Zn0.4

(14)

根據(jù)式(11)可分別確定式(9)中的各項系數(shù)，則XFe=10/37、XAl=25/37、XZn=2/37、x=2、y=5、z=0.4。將各值代入式(14)，化簡整理得

5.104 3RT-0.011 70LFe,Zn+0.093 01LFe,Zn-

(15)

2Fe-Al-Zn計算與試驗(yàn)分析

根據(jù)表1列出的與Fe-Al-Zn反應(yīng)有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，按照計算模型，應(yīng)用Matlab編制求解程序計算了Fe2Al5Zn0.4相在300～1500K的生成自由能，計算結(jié)果如圖2所示。從計算結(jié)果可以看出，形成

Fe2Al5Zn0.4相的摩爾吉布斯自由能在電弧熔釬焊溫度范圍內(nèi)小于零。因此，該化合物相在鋁/鍍鋅鋼板焊接接頭界面處可能存在。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立的鋁/鋼界面Fe-Al-Zn三元金屬間化合物形成吉布斯自由能計算模型的合理性，采用旁路脈沖耦合電弧熔釬焊對鋁與鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接。焊接所使用的材料為鍍鋅層為100 g/m2的鍍鋅鋼板填充材料為直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲，保護(hù)氣體為Ar。采用電子探針儀進(jìn)行線掃描分析焊接接頭界面中心的金屬間化合物層的化學(xué)成分，由圖3可知，在金屬間化合物層中，Al和Fe的含量分布在焊接接頭界面中心比較平齊，且出現(xiàn)平臺。對界面進(jìn)行EDS分析，如圖4所示，獲得界面中心不同區(qū)域元素成分，如表2所示。這表明在焊接接頭界面中心可能形成FexAly 金屬間化合物。

表1　模型中的計算參數(shù)[7]

圖2　Fe2Al5Zn0.4相形成的吉布斯自由能變化Fig.2　 The Gibbs free-energy change of form Fe2Al5Zn0. 4

圖3　鋁/鍍鋅鋼焊接接頭線掃描分析Fig.3　Linear scanning analyses of welded joint

將焊后的鋁/鋼接頭試樣從界面處撕裂拉斷，分離后的試樣如圖5所示。分別對鋁側(cè)和鍍鋅鋼板一側(cè)試樣的剝落面進(jìn)行X射線衍射分析，其結(jié)果如圖6所示。

圖4　焊接接頭界面中心不同區(qū)域的EDS分析Fig.4　EDS analysis on different interface centre areas

Table 2Compositions of different areas at the interface centre of welded joint

AreaWt/%FeAlAt/%FeAlA41.7055.7425.8471.48B37.3162.6921.6375.38

圖5　剝落的試樣Fig.5　The spalling samples

圖6　試樣剝落面的XRD分析圖譜Fig.6　XRD analysis on the specimen spalling surface

從圖6中可以看出，中間界面區(qū)金屬間化合物還存在有Fe2Al5Zn0.4，這表明在鋁鋼界面這與計算結(jié)果相吻合。由計算及試驗(yàn)結(jié)果可知，在鋁/鍍鋅鋼板接頭界面存在Fe2Al5Zn0.4相化合物組織。

3鋁/鍍鋅鋼界面過程分析

將相同溫度范圍內(nèi)的各種Fe-Al金屬間化合物相和Fe2Al5Zn0.4相的摩爾吉布斯自由能進(jìn)行比較，F(xiàn)e-Al化合物自由能計算依據(jù)文獻(xiàn)[8-10]。結(jié)果如圖7所示。

圖7　金屬間化合物的吉布斯自由能變化Fig.7　The gibbs free energy change of intermetallic compounds

由圖7可以看出，生成Fe2Al5Zn0.4相的摩爾吉布斯自由能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生成Fe2Al5和FeAl3相的摩爾吉布斯自由能，表明Fe2Al5Zn0.4相是在Fe2Al5和FeAl3相形成后才形成的，由此可以推斷在鋁/鍍鋅鋼板焊接界面處金屬間化合物的形成過程如圖8所示。

圖8　Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物形成過程的示意圖Fig.8　Illustration for formation process of Fe2Al5Zn0.4

根據(jù)以上對鋁/鋼界面金屬間化合物的吉布斯自由能變化的計算，提出以下化合物擴(kuò)散生長模型，并將其形成生長過程分為四個階段。由于形成Fe2Al5相的Gibbs自由能最低，當(dāng)液態(tài)Al與固態(tài)Fe界面處的Fe原子達(dá)到熱處理溫度下的極限溶解度時，便在鋁/鋼界面處形成了Fe2Al5晶核，如圖8(a)所示；隨著Al原子繼續(xù)向Fe基體中擴(kuò)散，F(xiàn)e2Al5晶核先沿界面橫向生長，逐漸連成整體，形成連續(xù)的Fe2Al5相層，如圖8(b)所示；電弧加熱完成以后，隨著溫度的降低，F(xiàn)e原子在液態(tài)鋁中的溶解度降低，液態(tài)Al逐漸開始凝固，游離Al原子與Fe2Al5相結(jié)合形成離散的、針片狀的FeAl3相，如圖8(c)所示；當(dāng)Fe2Al5和FeAl3形成后，由于Fe2Al5的斜方晶系結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)存在大量空位，于是在Fe2Al5與鍍鋅層的界面處，Zn緩慢擴(kuò)散進(jìn)入Fe2Al5，F(xiàn)e2Al5相與Zn原子結(jié)合反應(yīng)生成的了Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物，如圖8d所示。

4結(jié)論

1) 通過對Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物相的熱力學(xué)計算，結(jié)果表明在鋁/鍍鋅鋼接頭界面處可以形成Fe2Al5Zn0.4金屬間化合物，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2) Fe2Al5Zn0.4的吉布斯自由能高于Fe2Al5和FeAl3，則Fe2Al5Zn0.4是在Fe2Al5和FeAl3形成后，Zn擴(kuò)散進(jìn)入Fe2Al5的晶體內(nèi)的空位，F(xiàn)e2Al5相與Zn原子結(jié)合反應(yīng)生成的。

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本文引用格式：

黃健康，劉 寧，何翠翠，等. 鋁/鍍鋅鋼焊接接頭金屬間化合物熱力學(xué)分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2016, 37(6): 837-841.

HUANG Jiankang，LIU Ning，HE Cuicui， et al. Thermodynamics analysis of intermetallic compounds on Aluminum-steel welded joint[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(6): 837-841.

收稿日期：2015-03-10.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51465031).

作者簡介：黃健康(1981-), 男, 副教授,博士. 通信作者：黃健康，E-mail：sr2810@163.com.

DOI:10.11990/jheu.201503026

中圖分類號：TG401

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)06-0837-05

Thermodynamics analysis of intermetallic compounds on Aluminum-steel welded joint

HUANG Jiankang1，LIU Ning1，HE Cuicui1,2，SHI Yu1，F(xiàn)AN Ding1

(1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Vocational Technical Institute of Langfang Yanjing, Langfang 065200, China)

Abstract：This research determines an intermetallic compound phase on the interface area of aluminum/galvanized steel plate pulsed DE-GMAW-welded joints. Based on thermodynamic fundamentals, a calculation model of Gibbs free energy change, formed by the Fe-Al-Zn compound phase on the interface area of aluminum/galvanized welded joints, was established. The relation between temperature change and the standard Gibbs Free Energy, formed by Fe2Al5Zn0.4intermetallic compound phase on the aluminum/galvanized steel plate welded joints, was obtained. The possible presence of an Fe2Al5Zn0.4intermetallic compound on the welding interface was analyzed and compared with the experiment results. The simulated results show that the established thermodynamic model is reasonable as the Fe2Al5Zn0.4intermetallic compound formed on the interface is basically consistent with the experimental results. It can be deduced that Fe2Al5Zn0.4forms because zinc diffuses into the crystal space of Fe2Al5 after Fe2Al5 and FeAl3 are formed.

Keywords：pulsed DE-GMAW; aluminum-steel welding; intermetallic compound; thermodynamic analysis

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-21.