磁场作用下铝/钢电弧增材界面结构演化与调控机制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:satan0wei
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铝/钢电弧增材制造构件具有质量轻、强度高、成形方式灵活、成本低等优点,在车辆、航空航天、船舶等领域具有广泛的应用前景。但是,铝/钢界面连接强度较低,是整个增材构件的薄弱区域。磁场作为异种金属连接中常用的辅助手段,可以改善界面结构,提高接头力学性能。增材热过程是伴随电弧增材制造方法而出现的温度变化过程,可以对增材构件的组织性能产生一定的影响。本文将磁场引入铝/钢电弧增材制造过程,研究铝/钢界面结构在增材热过程下的演化行为,阐述磁场和增材热过程对铝/钢界面结构的调控机制。首先,研究励磁电流和磁场频率对铝/钢界面微观组织和力学性能的影响,确定铝/钢增材连接界面调控的磁场参数。磁场可以通过降低焊接时的峰值温度,缩短高温停留时间,加快熔池流动行为等方式降低界面金属间化合物层的厚度并减少脆性较大的(Al,Si)13Fe4化合物在界面处生成。施加励磁电流为2A,磁场频率为0Hz的磁场可以使铝/钢界面处形成厚度较低且只有Al8Fe2Si一种物相组成的化合物层,使铝/钢接头的力学性能提升43.2%,被选为铝/钢增材磁场调控参数。然后,研究单层多道和单道多层两种增材形式下的热过程对铝/钢界面结构的影响,得到界面结构在不同增材温度下随着增材次数增多而出现的演化行为。增材热过程作用下界面结构的整体演化进程是在初始化合物层和钢基板之间生成(Al,Si)13(Fe,Cr)4化合物,该化合物的生长随着增材次数的增多将会经历杆状形态、层片状形态等时期。增次温度的升高会使铝焊缝中金属间化合物增多,加快界面结构的演化进程,甚至在(Al,Si)13(Fe,Cr)4化合物和钢基板间生成Fe2Al5化合物。最后,建立界面结构在增材热过程下的演化模型,阐述磁场和增材热过程对铝/钢增材界面结构的调控机制。增材热影响作用下依靠界面反应生成的杆状的(Al,Si)13(Fe,Cr)4化合物可以阻碍裂纹在Al8Fe2Si化合物层中扩展;而增材热累积作用下依靠扩散行为生长的层片状的(Al,Si)13(Fe,Cr)4化合物将成为剪切试验中的裂纹源;较高频率的增材热冲击作用下生成的Fe2Al5化合物将造成界面强度的急剧下降。磁场可以在改善初始界面结构的同时,降低后续增材热过程的峰值温度和高温停留时间。合理的调节增材温度可以引起适当的热冲击作用,形成化合物以镶嵌状形态分布的界面结构。
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