稀土元素Y在Mg-Al-Zn基钎料中的作用及热力学行为研究

摘要

镁合金钎焊具有加热温度低、焊件变形小、生产效率高等特点，尤其适用于连接复杂、精密、多钎缝结构，对镁合金的应用具有重要的意义。目前镁合金钎焊技术还不是很成熟，还没有广泛应用的镁合金钎焊材料。针对现有的镁合金钎料熔点高，钎焊接头强度较低的问题，通过添加微量的合金元素，改善镁合金钎料合金的性能是一种重要的方法。稀土元素Y与Mg的晶格结构相似，可以作为异质形核，对镁基合金具有细晶强化作用；且Y在镁中的固溶度较大，对镁基合金的固溶强化效果显著。因此本文以Mg-Al-Zn钎料为基础研究对象，在其中添加不同含量的稀土元素Y，研究了稀土元素Y对钎料熔化特性、微观组织以及在超声波辅助条件下钎料的铺展性能、填缝性能和钎焊接头剪切强度的影响，并利用周模型对Mg-Al-Zn-Y四元合金体系组元活度进行了热力学计算。
　　 研究结果表明：设计和制备的含稀土Y的Mg-Al-Zn基钎料具有良好的熔化特性，尽管添加稀土元素Y后，钎料的液相线温度上升6～7℃，但三种钎料的固液温度区间均小于10℃，有利于避免母材过烧，提高钎焊接头质量。同时钎料具有良好的铺展和填缝性能，铺展面积最大为80.4m㎡，单位时间的填缝长度可达32.6mm/s。
　　 通过SEM、EDS和XRD等方法对钎料合金和接头界面进行了分析。研究结果表明：Mg-Al-Zn-Y试验用钎料主要由α-Mg固溶体、MgAlZn共晶组织、MgZn化合物相、Al-Y化合物析出相组成。稀土元素Y的加入，改变了α-Mg的生长方式，由不规则状向树枝晶转变。随着稀土元素Y含量的增加，α-Mg枝晶逐渐细化，并且组织中稀土化合物相增加，甚至有大片状稀土相析出，并伴随有偏聚现象。
　　 在超声波辅助钎焊条件下，随着超声时间的增加，三种钎料钎焊接头的剪切强度呈先上升后减小的趋势，1＃钎料（Mg-Al-Zn-0.5Y）在超声时间2s时，接头剪切强度达最大值79.4MPa，接头界面连接紧密，有明显的反应层，此时，钎焊接头断裂于钎缝处。
　　 通过采用周模型对Mg-Al-Zn-Y四元合金元素间活度相互作用系数和活度系数进行了计算，结果表明：稀土元素Y与Al活度相互作用系数负值倾向更大，说明Y与Al形成化合的倾向更强烈，而稀土元素Y与Mg和Zn基本不形成化合物或形成化合物的趋势很小，Y对Mg、Zn起表面活性元素的作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 镁合金钎料的研究现状与进展

1.2.1 镁合金钎焊材料的研究现状

1.2.2 镁合金钎焊材料性能改善的研究进展

1.3 热力学计算在钎焊材料设计中的研究进展

1.3.1 钎焊材料设计方法

1.3.2 热力学计算方法在钎料合金设计中的应用

1.4 本文研究的主要内容

第2章 试验材料、设备及研究方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.2.1 钎料熔炼设备

2.2.2 超声波辅助钎焊设备

2.3 钎焊接头的制备

2.4 钎料成分及性能测定

2.4.1 钎料荧光成分分析

2.4.2 钎料熔化温度区间测定

2.4.3 钎料填缝性能试验

2.4.4 钎料润湿铺展性试验

2.5 微观组织分析

2.6 接头性能测试

第3章 Mg-Al-Zn-Y钎料的制备及钎料和钎焊接头组织性能的分析

3.1 钎料的制备

3.1.1 钎料合金选择及成分设计

3.1.2 钎料熔炼

3.2 钎料成分分析

3.3 Mg-Al-Zn-Y钎料合金组织性能分析

3.3.1 稀土元素Y对Mg-Al-Zn基钎料合金熔化特性的影响

3.3.2 稀土元素Y对Mg-Al-Zn基钎料铺展润湿性能的影响

3.3.3 稀土元素Y对Mg-Al-Zn钎料填缝性能的影响

3.3.4 Mg-Al-Zn-Y钎料的微观组织

3.4 稀土元素Y对钎焊接头组织和性能的影响

3.4.1 稀土元素Y对钎焊接头剪切强度的影响

3.4.2 稀土元素Y对钎焊接头微观组织的影响

3.4.3 钎焊接头断口的分析

3.5 本章小结

第4章 Mg-Al-Zn-Y钎料合金组元活度的热力学计算和分析

4.1 基本热力学关系式与基本假定

4.1.1 基本热力学关系式

4.1.2 基本假定

4.2 二元模型（Miedema生成热模型）

4.3 三元几何模型

4.3.1 周模型

4.3.2 计算机编程

4.3.3 按周模型计算结果

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢