鋁－鋼連接液固界面反應(yīng)研究進(jìn)展

何歡，勾文欽，景艷，房強(qiáng)漢，趙康培

(山東交通學(xué)院工程機(jī)械學(xué)院，山東濟(jì)南250357)

0 前言

獲得鋁/鋼異種金屬優(yōu)質(zhì)連接接頭的關(guān)鍵是金屬間化合物的控制問題。而鋁鋼連接界面金屬間化合物種類較多，生長機(jī)制則更為復(fù)雜，需要綜合考慮界面發(fā)生的溶解、擴(kuò)散以及化學(xué)反應(yīng)等多個方面［1－2］。鋁/鋼固液界面反應(yīng)機(jī)理是鋁/鋼連接過程中金屬間化合物生長的理論基礎(chǔ)，對控制界面金屬間化合物生長、獲得優(yōu)質(zhì)的鋁鋼連接接頭以及最終從根本上解決冶金上不相容的異種金屬連接難題具有重要意義。為闡明鋁/鋼界面反應(yīng)機(jī)理，文中進(jìn)行了液態(tài)鋁與固態(tài)鋼界面反應(yīng)的總結(jié)，分析了鋼的熱浸鍍鋁、鋁－鋼異種金屬釬焊以及熔釬焊的界面反應(yīng)產(chǎn)物種類、生成順序及生長機(jī)制，為后續(xù)鋁－鋼等異種金屬連接的深入研究提供參考。

1 界面化合物種類

1．1 近平衡態(tài)界面

研究人員對于鋁－鋼固液界面反應(yīng)的研究大多是從熱浸鍍鋁開始的。熱浸鍍鋁雖然不是一個焊接過程，但其界面反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間更容易控制，其反應(yīng)規(guī)律可為材料連接界面的固液界面反應(yīng)提供重要參考。

W．J．Cheng等人［3］報道了低碳鋼熱浸鍍鋁界面由大量的Fe2Al5和少量FeAl3組成，F(xiàn)e2Al5為正交或單斜晶體結(jié)構(gòu)，沿c軸［001］方向存在30%的晶格空位，能量較大，原子易擴(kuò)散，為其快速生長提供了條件。

K．Bouche等人［4］利用熱浸試驗(yàn)研究了30～45 min時間范圍內(nèi)700～900℃固態(tài)高純鐵與高純鋁液的作用。界面主要生成了兩層形狀不規(guī)則的化合物，一層為靠近鋼側(cè)的數(shù)量較多的Fe2Al5，一層為靠近鋁側(cè)的少量的FeAl3。Fe2Al5與FeAl3的不規(guī)則程度隨時間增加而減小。當(dāng)熱浸時間為30 s時，固態(tài)鋼厚度的減小值Xloss在700℃，800℃和900℃下均為負(fù)值，說明化合物的生長速率要高于溶解速率。

A．Bouayad等人［5］利用熱浸試驗(yàn)研究了固態(tài)高純鐵與99．9%高純鋁液的作用，鋁液在試驗(yàn)中保持靜止，反應(yīng)溫度為700～900℃，反應(yīng)時間為1～45 min。在經(jīng)過了一個短暫的過渡期之后，F(xiàn)e2Al5遵循拋物線規(guī)律生長，而FeAl3則是線性增長。作者采納了Dybkov的理論方法，同時考慮界面處的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，分別確定了兩種化合物的拋物線和線性生長系數(shù)。

G．Adam［6］根據(jù)相圖提出鋼浸鍍鋁的結(jié)構(gòu)應(yīng)分為三層，由表及里分別為 FeAl3+Al，F(xiàn)eAl3和 Fe2Al5，如圖1所示，并據(jù)此提出了鍍層的形成機(jī)理，其中FeAl3相的生長呈柱狀延伸于鋁中。

圖1 三層結(jié)構(gòu)鍍鋁層形成過程示意圖［6］

S．Chen等人［7］不僅報道了低碳鋼熱浸鍍鋁界面的Fe2Al5+Fe4Al13兩層化合物，而且通過高分辨透射電子顯微技術(shù)揭示了其中的有序－無序轉(zhuǎn)變。

鋼的種類對鋁－鋼固液界面的反應(yīng)產(chǎn)物有著較大影響。Fe-Cr合金熱浸鍍鋁的界面產(chǎn)物與Cr含量有關(guān)。含10%Cr的合金鋼板與鋁液的反應(yīng)產(chǎn)物從鋼基體開始依次為Fe2Al5與Fe2Al7，其中Fe2Al7的厚度與Fe2Al5相比，幾乎可以忽略不計(jì);含25%Cr的合金與鋁液的反應(yīng)產(chǎn)物從鋼基底開始依次為Fe2Al5，F(xiàn)e2Al7或FeAl6以及CrAl7，其中Fe2Al5仍為主要的界面產(chǎn)物。在一定范圍內(nèi)，含Cr量較多的合金與鋁液反應(yīng)產(chǎn)生化合物厚度要遠(yuǎn)小于含Cr量較少的合金。當(dāng)鋁液成分不同時，化合物的厚度也有所變化，采用純鋁液的界面反應(yīng)產(chǎn)物厚度要明顯小于加入飽和合金元素的鋁液厚度［8］。

V．I．Dybkov［9］進(jìn)一步研究了Fe-Ni合金與鋁液的反應(yīng)，界面反應(yīng)產(chǎn)物與Fe-Cr不同，在界面并沒有發(fā)現(xiàn)Fe2Al5，只發(fā)現(xiàn)了FeAl3或Fe2Al7。此外，鋼中Ni含量的增加對化合物厚度的影響不大。

比較Fe-Cr，F(xiàn)e-Ni兩個二元體系與鋁液的反應(yīng)產(chǎn)物可以發(fā)現(xiàn)，Cr的存在可有效減少Fe2Al5的厚度，而Ni的存在使得界面的Fe2Al5基本消失，但界面Fe2Al7的厚度卻明顯增加。

對于 Fe-Cr-Ni三元體系，V．I．Dybkov［10］系統(tǒng)研究了700℃時18Cr-10Ni不銹鋼與鋁液的相互作用。如圖2所示，當(dāng)采用含有Fe元素飽和的鋁液時，界面生成了鋼側(cè)的Fe2Al5與鋁側(cè)的FeAl3兩層化合物。與采用純鐵或者碳鋼不同，F(xiàn)e2Al5的厚度要遠(yuǎn)小于FeAl3，說明不銹鋼與鋁液的作用機(jī)制與純鐵或碳鋼不同。當(dāng)采用未含F(xiàn)e的純鋁液時，界面的化合物在Fe2Al5及FeAl3之間較難區(qū)分。在AISI321不銹鋼與液態(tài)鋁的反應(yīng)界面，有研究人員報道了Fe2Al5及CrAl7兩層化合物結(jié)構(gòu)［11］，F(xiàn)eAlm及 Al3(NiFe)等亞穩(wěn)相的存在［12］。

圖2 鋁合金－不銹鋼界面組織［10］

綜上所述，鋼熱浸鍍鋁的界面反應(yīng)產(chǎn)物主要為Fe2Al5和FeAl3/Fe4Al13兩層，鋼的種類及鋁液的純度對界面化合物的種類和厚度均具有一定影響。

1．2 短時非平衡態(tài)界面

熔釬焊的界面反應(yīng)與熱浸鍍鋁明顯不同，是典型的快速加熱、快速冷卻的短時非平衡態(tài)界面反應(yīng)，如電弧熔釬焊、激光熔釬焊、電子束熔釬焊等。

圖3 熔釬焊界面金屬間化合物種類

國內(nèi)外針對鋁/鋼固液界面短時非平衡態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了較為充分的研究。在鋁/鋼電弧熔釬焊、電子束熔釬焊及激光熔釬焊界面，鋼側(cè)η-Fe2Al5和鋁側(cè)θ-Fe4Al13的兩層化合物結(jié)構(gòu)已經(jīng)被很多研究人員研究并報道，如圖 3所示。L．A．Jácome等人［13］對鋁鋼CMT熔釬焊接頭的研究發(fā)現(xiàn)，采用Al99．5或AlMn1填充材料的界面由 η-Fe2Al5和 θ-Fe4Al13兩層組成。η-Fe2Al5與鋼側(cè)相鄰并呈長方形生長，其較大的晶粒軸線與界面垂直。θ-Fe4Al13生長在填充材料一側(cè)并呈小于0．5 μm橢圓形晶粒，晶粒主軸大多與界面垂直。在η-Fe2Al5和θ-Fe4Al13之間觀察到了波浪形的界面。而采用含AlSi5或AlSi3Mn1的填充材料界面由三層組成，在 θ-Fe4Al13與焊縫之間存在 αc-Al-Fe-Si相。U．Reisgen等人［14］報道了低合金鋼DC05和AlMg3鋁合金電子束焊對接接頭 η-Fe2Al5及 θ-Fe4Al13兩層化合物，并分析了化合物隨溫度場變化的規(guī)律。A．Szczepaniak等人［15］研究 DC01 鋼與 99．5%Al激光搭接接頭界面的兩層化合物，一層是鋼側(cè)正交或斜方結(jié)構(gòu)的Fe2Al5，另一層是鋁側(cè)單斜結(jié)構(gòu)的Fe4Al13。Fe2Al5的厚度要明顯大于 Fe4Al13，兩者都是長條狀的晶粒，但Fe4Al13的晶粒要小。所有Fe2Al5的生長都在平行于晶體學(xué)的［001］方向，F(xiàn)e4Al13的生長方向則是隨機(jī)的。W．Geng等人［16］近期報道了超高強(qiáng)鋼與鋁合金等離子熔釬焊的Fe2Al5和Fe4Al13兩層化合物。

由于母材、熱源及焊接工藝的差別，鋁鋼短時非平衡態(tài)界面反應(yīng)生成的化合物在厚度上略有差別，但在種類上基本已達(dá)成共識，主要是η-Fe2Al5和θ-Fe4Al13兩相。鋼的種類及鋁液中的合金元素對界面化合物的種類和厚度也具有一定影響。

2 化合物生成順序

對于界面多層的化合物結(jié)構(gòu)，了解化合物的生成順序?qū)τ诮沂净衔锏纳L機(jī)制具有重要意義。然而，由于缺少原位觀察技術(shù)及有說服力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，F(xiàn)e-Al金屬間化合物富鋁相的生成順序一直存在爭議。

針對鋁/鋼固固反應(yīng)，R．Bene［17］的模型預(yù)測 FeAl3將先于Fe2Al5生成。T．Heumann［18］研究鋼熱浸鍍鋁界面層也認(rèn)為FeAl3優(yōu)先生成。液態(tài)鋁與固態(tài)鋼接觸時，在界面發(fā)生Al和Fe原子的相互擴(kuò)散，首先形成FeAl3相;由于濃度起伏，在FeAl3層中出現(xiàn)了濃度相當(dāng)于Fe2Al5相的微小區(qū)域，當(dāng)基體中Fe原子進(jìn)入FeAl3層并繼續(xù)擴(kuò)散時，形成了Fe2Al5相，這種相變重結(jié)晶從FeAl3相表面開始，并使Fe2Al5相沿擴(kuò)散方向長大;由于Fe2Al5的晶體結(jié)構(gòu)具有特殊性，因此晶體形核后開始沿C軸方向快速長大，形成橫跨若干晶粒的粗大柱狀晶區(qū)。Naoki Takata等人［19］在其化合物的生長模型中也提出了FeAl3優(yōu)先生成的觀點(diǎn)。然而，根據(jù)R．Pretorius等人［20］和 C．C．Theron 等人［21］的有效熱模型，F(xiàn)e2Al5會優(yōu)先生成。W．B．Lee等人［22］發(fā)展了 Pretorius的模型，引入有效自由能的概念并用其預(yù)測鋁鐵固液界面金屬間化合物的生成順序。該概念的核心是具有最低生成自由能的相在最低的液相線成分點(diǎn)會優(yōu)先生成，運(yùn)用這一觀點(diǎn)預(yù)測了 Fe4Al13會優(yōu)先生成。但L．Agudo等人［1］在分析中質(zhì)疑了采用該自由能的合理性，因?yàn)榻缑娼饘匍g化合物是由固態(tài)Fe和液態(tài)Al反應(yīng)生成的，如果反應(yīng)溫度超過了Fe2Al5的熔點(diǎn)，則Fe2Al5會優(yōu)先生成，因?yàn)樵谶@個溫度范圍內(nèi)具有最低的自由能。Fe2Al5優(yōu)先生成的另一個證據(jù)是其與FeAl3之間的波浪形界面，波浪形界面說明了它是固液反應(yīng)的第一個界面，而Fe2Al5與鋼基體之間的平直界面則是固態(tài)擴(kuò)散的結(jié)果。進(jìn)一步的證據(jù)則是一個Fe2Al5晶粒與多個FeAl3晶粒相鄰，這個現(xiàn)象說明FeAl3是在已經(jīng)生成的Fe2Al5的界面上形核。Kwang-jin Lee等人［23］在對鋁－鋼激光熔釬焊界面的研究中發(fā)現(xiàn)了Fe2Al5與Fe4Al13兩層主要的化合物，作者認(rèn)為Fe4Al13率先在固態(tài)鋼與液態(tài)鋁的界面上形核并生長，之后Fe2Al5在Fe4Al13基礎(chǔ)上向鋼的方向生長;另一方面，F(xiàn)e4Al13向鋁液中生長，F(xiàn)e在鋁液中的濃度不斷增加，向鋁液中生長的針狀Fe4Al13是其在自身上形核并隨熔池溫度降低而形成的。Fe2Al5的形態(tài)并不平直且形狀較為復(fù)雜。

3 化合物生長機(jī)制

關(guān)于鋁鋼固液界面化合物生長機(jī)理的研究大多基于鋼熱浸鍍鋁，屬于長時間近平衡態(tài)過程?；衔锏纳L存在三種機(jī)制，分別是界面反應(yīng)控制(線性規(guī)律)，擴(kuò)散控制(拋物線規(guī)律)，或者是二者的共同控制(非線性規(guī)律)。關(guān)于鋼熱浸鍍鋁過程中的主要化合物Fe2Al5在某一溫度下較長時間的生長機(jī)制基本已經(jīng)確定，即按照拋物線規(guī)律生長的擴(kuò)散控制過程;而對于鋼熱浸鍍鋁過程中的次要產(chǎn)物FeAl3/Fe4Al13則相對研究較少，其生長機(jī)制在學(xué)術(shù)界也存在爭議，擴(kuò)散控制與界面反應(yīng)控制兩種機(jī)制都有過報道。而V．I．Dybkov則提出生長與溶解同時進(jìn)行的動態(tài)過程，是一種非線性的生長規(guī)律。由表1可以看出，熱浸鍍鋁更關(guān)注的是較長時間的界面反應(yīng)，而對前期較短時間的反應(yīng)機(jī)制的研究也逐漸引起科研及工程人員的重視［24］;對FeAl3/Fe4Al13的生長規(guī)律及機(jī)制報道則較少且存在爭議。

表1 鋼熱浸鍍鋁界面化合物生長機(jī)制對比分析

4 結(jié)束語

鋼熱浸鍍鋁界面及鋁鋼非平衡態(tài)固液反應(yīng)界面的反應(yīng)產(chǎn)物均以Fe2Al5和FeAl3/Fe4Al13為主，鋼的種類、鋁液的純度及鋁液中的合金元素對界面化合物的種類和厚度均具有一定影響。界面多層化合物的生成順序存在一定爭議。Fe2Al5的生長機(jī)制以擴(kuò)散控制為主，而FeAl3/Fe4Al13的生長機(jī)制則有待進(jìn)一步的深入研究。

與熱浸鍍鋁相比，鋁鋼熔釬焊的界面反應(yīng)是在短時非平衡態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行的，反應(yīng)時間很短，一般是幾秒或者十幾秒，反應(yīng)溫度也處在迅速變化中，影響因素多且復(fù)雜，界面的反應(yīng)產(chǎn)物以及反應(yīng)機(jī)制與熱浸鍍鋁明顯不同。該界面反應(yīng)已經(jīng)不僅僅是擴(kuò)散控制的單一過程，而是涉及到溶解、界面反應(yīng)、擴(kuò)散等過程的綜合結(jié)果。從機(jī)理上深入鋁鋼固液界面短時非平衡態(tài)金屬間化合物的生成和變化并有所突破，不僅需要準(zhǔn)確獲得化合物隨各影響因素的變化規(guī)律，更需要進(jìn)行多次數(shù)值模擬與理論建模的嘗試與驗(yàn)證。

在熔釬焊條件下，鋁/鋼固液界面的反應(yīng)時間只有幾秒到十幾秒，而且是快速加熱、快速冷卻的非平衡態(tài)過程，如何在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上綜合考慮界面發(fā)生的溶解、擴(kuò)散以及界面反應(yīng)，運(yùn)用熱力學(xué)、動力學(xué)及反應(yīng)擴(kuò)散相關(guān)理論，建立合理的界面反應(yīng)機(jī)理與化合物生長模型是需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。