纳米级Al-Fe化合物层在镁-钢焊接中的作用机制与界面结合特征研究

Al-Fe intermetallics could play an important role in joining the Mg alloy and steel. Based on the common problems of the research on the influencing mechanism and bonding characteristic of Fe-Al intermetallics layer on the interface during the welding of Mg-steel dissimilar metals，friction stir welding and electron beam welding were selected for welding dissimilar Mg alloys and Zn-coated steel. First，the feasibility that Al element was introduced to the Mg-steel welding by means of Zn-base coating，getting rid of dependence for the Al in Mg alloy substrate，thereby lowering the strict requirements of Mg-steel welding，was investigated； Second，the influencing mechanism of the content, distribution of Al-Fe phases in Zn coating on the interface reaction was studied，and the relationship between the Al-Fe intermetallics before and after welding was analyzed. Furthermore，the influencing mechanism of Al-Fe intermetallics layer on the Mg-steel interface was clarified. Third，bonding characteristic between Fe-Al intermetallics and substrate was investigated. Especially，action mechanism of Al-Fe phases matched well with Mg and Fe was revealed. Hopefully, this study would guide the jointing of Mg alloys and steel in both theoretical and technical aspects.

鉴于Al-Fe化合物在实现焊接性极差的镁和钢之间的连接方面发挥的重要作用。本申请针对Al-Fe相在镁-钢焊接中的作用机制以及界面结合特征等方面研究中存在的共性问题，拟选用搅拌摩擦焊和电子束焊，进行镁、AZ31及ZK60与镀纯锌和锌基（含铝）涂层钢之间的焊接。首先，研究通过镀锌基涂层方式，将Al引入到镁-钢焊接中、从而摆脱焊缝合金化对于基体中合金元素（Al）的依赖、进而降低镁-钢连接对焊接工艺、方法以及可焊材料方面的严苛要求的可行性；其次，研究镀层与基体发生反应后的微观组织变化，分析原始Al-Fe相种类、厚度及分布等对界面合金化过程的影响，揭示焊前原始Al-Fe相与焊后Al-Fe相之间的关系，阐明其在镁-钢焊接中的作用机制；再次，研究Al-Fe相与镁和钢之间的界面结合特性，尤其是揭示Al-Fe相在协调Mg和Fe之间位向关系方面的作用机制。通过上述研究，为镁-钢焊接提供技术支持与理论指导。

尽管镁和钢之间的焊接具有重要的工业应用前景，但是二者之间的焊接性却并不理想。如何改善二者间的焊接性，已经成为镁-钢异种金属焊接研究中亟待解决的首要问题。本项目通过预置Zn-Al涂层的方式，将Al元素引入到镁-钢的界面反应中，采用搅拌摩擦点焊（FSSW）与电子束焊技术（VEBW）进行了镁-钢异种金属之间的焊接。研究发现采用FSSW技术，在锌基镀层的辅助下，可以实现不同类型镁合金与钢的连接。接头成形美观，无明显缺陷。AZ31镁合金-钢的FSSW和无针搅拌摩擦点焊（P-FSSW）接头的载荷分别为2.3 kN和4.3 kN（焊点直径10 mm），而ZK60镁合金-钢的P-FSSW接头的载荷为4.6 kN；通过不含铝的ZK60镁合金与钢之间的有效连接，进一步证实了对镁-钢连接起决定作用的是Al5Fe2相，而并非是来自于焊接过程中镁合金基体内Al的析出并与Fe的反应；采用VEBW技术，能够实现镁合金-钢（带有Al-Zn涂层）异种金属之间的焊接， 宽度为10 mm的焊接接头的平均载荷可达2.2 kN。在镁-钢焊接过程中，镀层一方面改善了镁-钢界面的润湿性；另一方面，促进了镁-钢之间的冶金结合。Al5Fe2化合物与Fe和Mg之间具有较好的取向关系，例如在ZK60-钢的FSSW接头中，存在下面的取向关系：(002)Al5Fe2//(110)Fe, [110]Al5Fe2//[-113]Fe以及(6-22)Al5Fe2//(3-1-2-2)Mg 和 [1-5-8]Al5Fe2//[2-423]Mg。 上述研究为镁-钢异种金属的焊接提供了技术支持与理论指导。