[发明专利]强化层扩散连接制备Fe3Al/Al复合结构的方法

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，具体是强化层扩散连接制备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。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、电子束焊和扩散焊。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焊。扩散焊时存在的主要问题是难以得到微观组织结构均匀过渡的界面区，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。

Fe₃Al和Al合金的物理化学性质之间存在显著的差异，这使得Fe3Al和Al合金在扩散焊过程中容易产生应力，使界面处形成裂纹。为此，必须采用一定的工艺措施强化Fe3Al和Al合金的扩散焊接。

经对现有技术的文献检索发现，周媛等申请的两项发明专利：“一种低温真空扩散连接钛合金的方法(申请号200810172468.3)”和“一种以薄膜为中间层进行高温合金真空扩散连接的方法(申请号200810172471.5)”提出在工件表面采用磁控溅射方法制备薄膜的方式改善钛合金或者高温合金的扩散焊接。采用磁控溅射的方法制备薄膜具有以下不足：首先是溅射出薄膜面积受磁控靶面积的限制；其次是磁控溅射过程比较复杂；最后是磁控溅射的设备价格较高。

发明内容

本发明旨在提供一种利用强化层扩散连接Fe₃Al合金和Al合金，制备Fe₃Al/Al复合结构的方法。

本发明针对增强Fe₃Al合金和Al合金的扩散焊接，提出了一种采用表面塑性变形的方式，用喷丸或表面机械研磨在合金表面制备强化层，然后以强化层作为中间层进行扩散连接，得到Fe₃Al/Al复合结构。

这种强化层扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的方法，包括以下步骤：

(1)对Fe₃Al或者Al合金进行表面塑性变形，在表面制备由超细晶或者纳米晶构成的强化层；

强化层厚度10～30um，纳米晶粒径20～50nm；超细晶的粒径100～120nm。

在Fe₃Al或者Al合金表面制备强化层的方式是喷丸或者表面机械研磨，采用直径2～8mm的钢球喷丸5～20min，或者直径2～8mm的钢球表面机械研磨5～20min。

对未经过表面塑性变形的Al合金或Fe₃Al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％；