[发明专利]扩散连接制备Fe3Al/Al复合结构的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工领域，具体为有色金属的焊接技术，尤其是有色金属间的扩散连接方法，具体是扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的方法。

背景技术

结构材料是现代工业领域的重要基础，其性能决定了工业装备的水平。新型有色金属材料是重要的一类材料。铝合金是目前工业领域广泛采用的有色金属，具有低密度、高比强度、易加工等特点。Fe₃Al是一种新型的有色金属，具有较高的比强度、优良的耐磨性和耐腐蚀等特性，是航空航天、汽车、化工等领域极具潜力的材料。但是Fe₃Al具有比较明显的环境脆性和较低的室温塑性。通过合金化和热机械加工的方式可以改善Fe₃Al的室温塑性和强度。将Fe₃Al和Al合金连接起来，可以充分利用Fe₃Al的高强度、耐磨性和Al合金的优良塑性，得到综合性能优异的Fe₃Al/Al复合结构。此外，Fe₃Al合金和Al合金都具有较好的耐腐蚀性能，因此Fe₃Al/Al复合结构在腐蚀环境下服役的可靠性也较好。

目前Fe₃Al常用的连接方法主要是焊条电弧焊、钨极氩弧焊、电子束焊和扩散连接。采用TIG焊和电子束焊焊接Fe₃Al时，容易产生热裂纹。为了避免产生热裂纹，应当控制焊材中的B、Zr、Mo等元素，而增加Cr、Nb、C等碳化物形成元素。但是B、Zr、Mo等元素是Fe₃Al合金常用的强韧化元素。采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊焊接Fe₃Al时容易出现冷裂纹问题。空气中的水汽在高温下分解出原子氢，可以直接和熔池中的Al反应生成原子氢，是Fe₃Al合金熔化焊时产生冷裂纹的主要因素之一。Fe₃Al合金的热导率小、热膨胀系数大，在熔化焊过程中容易在接头区域形成较大的残余应力，有助于氢的扩散、聚集。因此，在Fe₃Al合金与异种材料(如Q235、Cr18-Ni8等)连接时主要采用的是扩散连接。扩散连接时存在的主要问题是难以得到微观组织均匀过渡的界面区，在界面区往往容易出现高硬度脆性相，导致接头区的力学性能恶化。目前还没有将Fe₃Al合金和Al合金连接制备Fe₃Al/Al复合结构的报道。

发明内容

本发明旨在提供通过扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的工艺。

本发明提出了一种Fe₃Al合金和Al合金异种金属材料的扩散连接工艺，将Fe₃Al合金和Al合金的表面进行机械清理和化学清洗后，将Fe₃Al合金和Al合金工件用压头压紧，在真空环境下进行扩散连接。不需要添加中间合金层，主要通过Al原子的扩散，实现Fe3Al合金与Al合金的连接，得到Fe₃Al/Al复合结构。

这种扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的工艺，包括以下步骤：

(1)对Fe₃Al合金和Al合金的表面进行机械清理和化学清洗并干燥；可用砂纸逐级打磨后，可再用醇类(如乙醇)或者丙酮清洗后吹干；

所用的Fe₃Al合金中，Fe的原子百分比为65～75％，Al的原子百分比为22～28％；

Al合金中Al的重量百分比为99.0～99.9％；

(2)将Fe₃Al合金和Al合金工件用压头压紧，放置在真空室中进行扩散连接，采用的扩散焊工艺参数为：500～640℃下保温30～90min，Fe₃Al合金和Al合金所受压力15～35MPa，真空度为10^-2Pa～10^-3Pa；

加热过程中为了获得均匀的温度分布，采用5～10℃/min的加热升温速度和台阶式加热方式，即分别在195～205℃和395～405℃下保温8～15min；

(3)达到保温时间后，将真空室冷却到80～110℃后将工件取出，得到Fe₃Al/Al复合结构。

Fe₃Al合金与Al合金之间的界面处形成厚度约10-30μm的过渡层，接头处没有裂纹形成。