6061和4043铝合金在不同金属表面的润湿行为及界面结构

摘要

铝合金以其优良的抗氧化性能而被广泛应用于热浸镀工艺中的镀层材料。以钢和钛作为基体，通过热浸铝工艺得到的镀层不但可以实现材料表面的室温抗腐蚀性而且可以提高材料高温下的抗氧化性。而在铜表面热浸镀铝并结合半固态连接可以避免Al-Cu连接过程中过多脆性相的产生，实现Al-Cu复合材料的有效连接。热浸铝工艺的实现及镀层质量的控制与铝合金在基体表面的润湿性密切相关。同时异种金属连接过程中钎料对母材良好的润湿性是获得优质焊接接头的重要因素之一。因此，本课题通过研究铝合金与T2铜、Q235钢、TC4钛合金及TA2纯钛的润湿行为及界面结构，探讨界面反应与润湿性及铺展动力学间的相互联系。研究内容有望进一步丰富上述基体热浸铝工艺及异种金属连接过程中钎料对母材润湿性的相关基础理论。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了熔融6061和4043铝合金分别在T2铜表面的润湿行为，研究表明：该体系属于典型的溶解润湿，在650~700 oC，润湿性与温度存在典型的相互依赖，随着温度升高最终润湿性逐渐改善；在700~750 oC，随着温度升高润湿性无明显改善，最终平衡接触角均在21o左右；界面分层现象可由溶解析出理论解释，整个界面呈三层，依次为α2 Al-Cu固溶体、δAl-Cu固溶体及AlCu金属间化合物；三相线区域熔融铝合金含量相对较少，随着Cu的溶解更容易达到饱和，并析出金属间化合物；金属间化合物产生后阻碍三相线区域固-液界面物质交流，同时阻碍熔滴铺展，从而抑制润湿；两者体系的铺展动力学均可由溶解过程控制润湿模型描述，6061和4043铝熔滴在基板表面呈非线性铺展，润湿激活能分别为52 kJ/mol和57kJ/mol。⑵研究了熔融6061和4043铝合金在Q235钢、TC4钛合金及TA2纯钛表面的润湿行为，研究表明：上述体系均为典型的反应润湿，最终润湿性与温度存在典型的相互依赖关系，随着温度升高润湿性明显改善；铝合金中微量的Si、Mg导致界面结构及最终润湿性产生差异，Si在界面富集，并且满足热力学条件；界面处富 Si的致密层(Fe2(Al1-xSix)5、Ti7Al5Si12)产生后阻碍三相线区域固-液界面物质交流，从而抑制润湿；而Ti7Al5Si12不稳定，随着温度升高，致密的Ti7Al5Si12逐渐分解，同时在三相线区域产生疏松的Al3Ti金属间化合物，疏松相的产生能够破除基板表面的氧化膜，促进铝合金熔滴与基板发生反应，从而促进润湿；Mg以蒸汽的形式挥发后包裹在三相线附近充当气相钎剂(还原剂)，还原基板表面的氧化膜，使得基板表面呈金属性，熔滴与洁净的基板接触并发生反应，同时三相线区域产生疏松的FeAl3及Al3Ti，疏松相产生后能够破除基板表面的氧化膜，促进润湿；铺展动力学均可由典型的反应产物控制润湿模型描述，6061铝合金在Q235钢表面呈线性铺展，在TC4钛合金及TA2纯钛表面先呈非线性铺展，后呈线性铺展；而4043铝合金在Q235钢、TC4钛合金及TA2纯钛表面均以非线性铺展为主，润湿激活能与界面反应吉布斯自由能相关。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要研究的内容

第2章 实验材料、设备和方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

第3章 铝合金-T2铜的溶解润湿

3.1润湿行为

3.2 润湿试样宏观形貌

3.3 界面结构

3.4 腐蚀试样反应层微观形貌及物相分析

3.5 铺展动力学规律

3.6 本章小结

第4章 铝合金-Q235钢的反应润湿

4.1 润湿行为

4.2 润湿试样宏观形貌

4.3 界面结构

4.4 前驱膜形貌

4.5 铺展动力学规律

4.6 本章小结

第5章 铝合金-TC4钛合金的反应润湿

5.1 润湿行为

5.2 润湿试样宏观形貌

5.3 界面结构

5.4 腐蚀试样反应层微观形貌及物相分析

5.5 前驱膜形貌

5.6 铺展动力学规律

5.7 本章小结

第6章 铝合金-TA2纯钛的反应润湿

6.1 润湿行为

6.2 润湿试样宏观形貌

6.3 界面结构

6.4 腐蚀试样反应层宏观形貌及物相分析

6.5 前驱膜形貌

6.6 铺展动力学规律

6.7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录