FEAL液固复合过程界面组织演变

东北大学硕士学位论文第１章绪论
军部委托承包商把１６００ｍ的铝薄板爆炸焊接到一个相当于足球场大小的平展甲板上，并进行了相当于４．５ｋｍ的世界上最长量程的爆炸焊接作业【９ｌ。

１一ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｄｒｕｇ２－ｄｅｔｏｎａｔｏｒ３－ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ４一ｒｕｂｂｅｒｇａｓｋｅｔ５－ｓｔｅｅｌ
６－ａｌｕｍｉｎｕｍｂｒａｎｄ７－ｒｕｂｂｅｒｇａｓｋｅｔ８－ｓａｎｄｃｕｓｈｉｏｎ
图１．２爆炸焊接装置
Ｆｉｇ．１．２Ｅｘｐｌｏｒｅｊｏｉｎｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
②钎焊法：是在两层材料间加入钎料，利用液态钎料湿润母材，填充间隙并与母材发生相互扩散而实现连接。

（２）轧制复合法
将经过表面处理（除油、打磨）后的两层或多层金属板，焊接成一体或将板料叠加直接在轧机上进行大变形量的轧制，然后进行相应的热处理形成冶金结合，以此制备复合材料的工艺方法。

其缺点是制造过程工序多，不宜生产小规格的复合板。

１．２．２液一液相复合法
工业的高速、高效及多样化发展要求开发新的复合钢板的生产方法，应用连铸技术生产复合钢板由此应运而生。

由于液一液相复合法可以免去基板表面活化处理等工序，而且随着连铸结晶器控制技术的不断发展，使得连铸生产复合板成为可能，其中最典型的是电磁连铸法。

电磁连铸法：是借助水平电磁场生产复合钢坯，目前尚处于研究阶段。

工艺原理如图１．３所示。

两种化学成分不同的钢液分别通过浸入式水口同时注入结晶器。

由于水平磁场安装在结晶器的下部，洛仑兹力作用在钢流上垂直穿过水平磁场，依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、下两部分，抑制了两种钢液的混合。

通过结晶器冷却作用，上部熔池的钢液凝固成为复合钢坯的外层，下部熔池
．．４．．
的钢液凝固形成复合钢坯的内芯㈣。

采用电磁连铸法生产不锈钢复合板有以下优点：在结晶器内直接实现两种材料的复合，可以避免结合界面的氧化、夹渣等情况：由于是液一液相结合，界面结合强度更高，同时也无须对基板表面迸行活化处理：可灵活调整复合板的尺寸和扩散层的厚度，适合于大批量连续生产双面不锈钢复合板。

ｏ址竹ｎｏｌｔｅｎｍｅｔ毫ｌｉｌⅣｕｅｒｍｏｔｌｅｎｍｅｔｄ
１一ｌｉｑｕｉｄｃｏｒｅ２－－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ３－－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ４一ＬＭＦ５－－ｏｕｔｅｒｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｓｈｅｌｌ
６一ｉｎｎｅｒｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｏｂｊｅｃｔ７一ｏｕｔｅｒｍｅｔａｌ８一ｉ姗ｅｒｍｅｔａｌ
图１．３电磁控制双金属连铸工艺原理
Ｆｉｇ．１．３Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍｃｏｎｔｒｏｌｄｏｕｂｌｅｍｅｔａｌｓｓｅｒｉｅｓｆｏｕｎｄｒｙ１．２．３液一固相复合法
液一固相复合技术是一种生产复合材料的有效方法。

目前研究开发的将液体浇注到固体材料表面的方法主要有：浇注法、浸入法、喷射法以及半固态压力复合法等。

（１）直接浇铸复合法
其工艺过程为：将两块钢板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属液的铸模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到两块复合板。

在适当温度及压力下可实现较高的结合强度。

此方法工艺简单，成本低，可用于批量生产。

但由于复层金属与基体金属的熔点不同，结合部位容易产生熔损，因此难以得到质量优良的复合钢板。

亿）铸轧法
是液态金属与固态金属在轧机上实现复合的方法…】。

．５．
东北大学硕士学位论文第２章实验过程２．１．２实验过程
实验装置如图２．１所示，将盛有铝锭的提子放进自制加热炉，加热至预定温度（７５０。

Ｃ或８５０。

Ｃ）后，再将加热至２５０。

Ｃ的钢板插入铝液中，复合既定时问后，抽掉挡板，将提子快速插入冷水中冷却。

１－ｍｅｌｔｉｎｇｐｏｔ２－ａｌｕｍｉｎｕｍ３－－ｈｅａｔｉｎｇ－ｆｕｒｆｌａｅｅ４－－ｂａｆｆｌｅｐｌａｔｅ５一ｗａｔｅｒ
图２．１实验装置示意图
Ｆｉｇ．２．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｐｌａｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
图２．２是实验过程示意图，分为９个步骤。

图２．２实验过程示意图
Ｆｉｇ．２．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｐｌａｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｃｅｓｓ
（１）清洗
清洗的主要目的就是除去残留在钢带表面的润滑油，以免钢带预热时氧化覆盖在钢带表面，影响铝液的润湿效果，降低界面的结合强度。

其简单的工艺过程为：
．１５。

东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析第３章实验结果与分析
从铝一铁的平衡状态图Ｌ２９】看，铝与铁既可以形成固溶体、金属间化合物，也可以形成共晶体。

铁在固态铝中的溶解度极小，在２２５℃－－６００℃时。

铁在铝中的固溶界限量为０．０１－－０．０２２％。

在共晶温度６４５℃时，铁在铝中的溶解度为Ｏ．５３％，在室温下，铁完全不溶于铝。

室温下铝在铁中的溶解度比铁在铝中的溶解度大６００倍。

在６００℃以下，铝在铁中的有限固溶体和铁在铝中固溶体之间，应该有三个金属间化合物相形成，这三个相分别是：ＦｅＡｌ２（§相，含Ａｌ４９．１３％）、Ｆｅ２Ａ１５（ｒｌ相含Ａｌ５４．７１％）、ＦｅＡｌ３（０相，含Ａｌ１３．８７％）。

研究异种金属间相互作用的一般规律、金属间化台物的形成和增加过程，可以有效控制它的增长过程，把出现的金属间化合物的厚度控制在允许的范围之内，因此，探讨其界面反应的机制与规律具有重要的意义。

深入研究液固相复合的机理，是一个很重要的内容，它是制定工艺的理论基础。

只有充分掌握铁铝液固相复合的机理，才可能制定出较为可行的工艺参数，制备出高结合强度的钢铝复合材料。

液固相复合过程包括两个很重要的过程：润湿过程和扩散过程。

钢铝扩散层的形成，是以钢带和铝液润湿过程为前提，以扩散过程为基础的娜。

】。

扩散层的形成首先是钢带和铝液要充分接触，也就是使钢带在铝液中充分润湿。

我们可以建立液体对固体的润湿模型ｍＪ，如图３．１。

图３．１润湿过程示意图
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｐｌａｎｏｆｗｅｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
Ｆｉｇ．３．１
对铝和钢来说，浸润角０。

＜０＜９０。

影响到润湿效果的有三个表面张力，即固体和气体之间的表面张力ｏｓＧ，液体和固体之间的表面张力ｏＬＳ，液体和气体之间的表面张力ｏＬＧ，并且它们之间存在着如下关系㈣：
．１９．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析３．１钢板和铝液温度不同的实验结果分析
为了深入研究钢板和铝液在温度不同条件下复合的机理，我们制取了试样，借助高倍显微镜进行拍照，并利用电子探针进行了成分扫描。

图３．３和图３．４就是两个试样的电子探针扫描照片。

图３．３钢板温度２５０＂Ｃ铝液温度８５０＂Ｃ复合１７秒时的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．３Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｓｔｅｅｌｉｓ２５００ＣｍｏｌｔｅｎＡ１
ｉｓ８５０℃ａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１７ｓｅｅ
图３．４钢板温度２５０１２铝液温度７５０。

Ｃ复合２０秒时的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．４Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｓｔｅｅｌｉｓ２５０＂ＣｍｏｌｔｅｎＡＩ
ｉｓ７５０℃ａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ２０ＳＯＣ
从图３３和３，４中可以看出，试样由三部分组成。

左边为钢层，中间为钢铝扩散层，右边为铝层。

两条曲线中，从左向右逐渐上升的曲线为铝含量，逐渐下降
．２１．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析从液固相复合试样的电子探针成分扫描照片可以看出，铝和铁各自的含量曲线都沿扩散层径向变化。

在这个扩散层里并存着多种铁铝金属问化合物。

在曲线变化过程中，两个台阶之间，有一段成分稳定区，它占据了扩散层的绝大部分。

根据表３．１，在成分稳定区中，经过电子探针定点取样分析，可以确定铝原子和铁原子的个数比几乎全都为３：ｌ，所以扩散层的主要成分是ＦｅＡｈ。

但是在铝液温度为８５０℃复合时间超过１７秒，和铝液温度为７５０＂Ｃ复合时间超过１４秒时，靠近钢层的台阶处定点分析，如表３．２所示，其铝原子与铁原子的比为２．５左右，即此处扩散层的成分为Ｆｅ２Ａ１５。

表３．２电子探针定点分析结果
Ｔａｂｌｅ３．２Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｉｎｆｉｘｅｄ－ｐｏｉｎｔ
３．１．２复合时间对扩散层厚度的影响
复合时间是影晌钢铝复合材料性能的一个主要因素，这在第一章的绪论中已有表述。

由于复合时间对润湿过程和扩散过程都有影响，故而它能影响扩散层的厚度。

图３．５是当铝液温度为７５０＂（２，钢板温度为２５０。

Ｃ，且钢板表面都浸镀了助焊剂时，在不同复合时间的电子探针扫描照片。

（ａ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ３ｓｅｃ
．２３．
查些垄主塑圭堂堡垒查笙！主塞坠丝墨兰坌堑
Ｃｏ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ５ｓｅｃ
（ｃ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ８ｓｅｃ
（ｄ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓｉ１ｓｅｃ
一２４—
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析
（ｅ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１７ｓｅｃ
（ｔ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ２０￥ＣＣ
图３．５铝液温度７５０。

Ｃ钢板温度２５０“Ｃ的电子探针扫描照片
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｓｏｆｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ７５０。

ＣＦｉｇ．３．５ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅＴｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙ
ｓｔｅｅｌｉｓ２５０℃
从图３．５可知，在钢板温度为２５０。

Ｃ时，复合时间越长，扩散层越厚。

复合时间为３秒时，在钢板和铝之间扩散层很薄且断断续续呈片状分布，成分曲线上还没有出现稳定区。

扩散层是由生成的ＦｅＡｌ３相析出后沉淀而形成的。

复合时间为５秒时真正的扩散层已经开始形成，大约为３－－４１ａｍ。

随着复合时间的延长，扩散层的厚度进一步增加，到１１秒时扩散层已经增加至５—７“ｍ。

２０秒时扩散层厚度达到１０－－１５１ａｍ。

扩散层厚度随时间而增加的原因是：一方面，复合时间的延长，有利于铝液对钢板充分润湿。

另一方面，由于原子自身带有能量，它们能做极短距离的近程不规则运动，即原子可以从一个点跃迁到附近的另一个点。

所以时间越长，就越有利于原子的运动，也就越有利于原子的整体扩散过程。

．２５．
蔓苎查登塑兰巡查笙！主
塞坠丝墨皇金堑３．１．３铝液温度对扩散层厚度的影响
图３．６和图３，７是在钢板温度同为２５０４Ｃ，都使用助焊剂，复合时间同为５秒时的试样照片。

其中图３．６的铝液温度为７５０。

Ｃ，图３．７的铝液温度为８５０。

Ｃ。

图３．６铝液温度７５０。

Ｃ复合５秒的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．６ＴｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ７５０４Ｃａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ５ｓｅｃ
图３．７铝液温度８５０＊（２复合５秒的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．７ＴｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ８５０℃ａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ５ｓｅｃ图３．８和图３．９是当钢板温度同为２５０。

Ｃ，都使用助焊剂，复合时间同为１７秒时的试样电子探针成分扫描照片。

图３．８的铝液温度为７５０。

Ｃ，图３．９的铝液温度为８５０℃。

一２６．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析
图３．８铝液温度７５０４Ｃ复合１７秒的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．８ＴｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ７５０‘Ｃ
ａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１７ＳＯＣ
图３，９铝液温度８５０。

Ｃ复台１７秒的电子探针扫描照片
Ｆｉｇ．３．９ＴｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ８５０。

Ｃ
ａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１７ｓｅｃ
从图３．６—３．９可以看到，在钢板温度同为２５０。

Ｃ，复合时问相同且都使用助焊剂的条件下，铝液温度为８５０。

Ｃ的试样要比铝液温度为７５０＂Ｃ的扩散层厚。

铝液温度对扩散层产生的影响可从以下三方面解释【３７－４０］。

第一，液体表面张力随温度变化，公式表示如下：
以：３＝Ｋ（ｒｏ－Ｔ吖）（３．４）
一２７—
懿
琵
董１０，∞０
３８１１１４１７２０
Ｔｉｍｅ（ｓ）
图３．１０铝液温度为８５０＂Ｃ时界面结合强度与复合时间的关系图
Ｆｉｇ．３．１０Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｓｈｅａｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅ
ｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ８５０℃
图３．１ｌ是铝液温度为７５０。

Ｃ，钢板温度为２５０℃，使用助焊剂的条件下试样界
面的结合强度随时问的变化图。

３５８１１１７ｚｕ
Ｔｉｍｅ（ｓ）
图３．１１铝液温度为７５０６Ｃ时界面结合强度与复合时间的关系图
Ｆｉｇ．３．１１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｓｈｅａｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅ
ｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡＩｉｓ７５０℃
从图３．１ｌ可以看出，剪切强度随时间的变化趋势与铝液温度为８５０＂Ｃ时基本上是一致的。

图３．１０和图３．１１的相同之处是，复合界面的结合强度基本上随着复
一２９．８
６
４
２
０
８
６
４
２
０
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析工艺来解决复合钢板表面氧化问题【４“，这类方法工艺非常复杂且能耗大，并且由于这种方法不能保证钢板与薄铝层间形成紧密结合而使产品的界面性能并不十分理想。

通过浸镀助焊剂可在清洁的钢板表面形成一层膜，防止钢板表面氧化，而且钢与铝液接触后，助焊剂膜迅速熔化、分解，使活性钢表面直接与铝液接触，进而发生铝液对钢板的浸润、漫流、吸附和扩散反应等复合行为【４３Ｊ，可望使界面形成牢固冶金结合，且工艺极为简单。

本文将采用浸镀助焊剂的方法研究助焊剂对液固相钢一铝复合界面质量的影响。

０
１３５８１１１４１７２０
Ｔｍｌｅ（ｓ）
图３．１２无助焊剂时结合强度与复合时间的关系图
Ｆｉｇ．３，１２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｌｗｅｅｎｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｓｈｅａｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅ
ｗｉｔｈｏｕｔｓｃａｌｉｎｇｐｏｗｄｅｒ
图３．１２是铝液温度为７５０６Ｃ，钢板温度为２５０。

Ｃ，在钢板表面无助焊剂时界面结合强度随时间的变化图。

从图３．１２可以看出，界面的结合强度在钢板表面无助焊剂的条件下，也遵循前面浸镀助焊剂时的变化规律，随时间的延长而升高，不同的是其剪切强度总体上都非常低。

在复合时间２０秒时达到最高，但也只是同等条件下钢板表面浸镀助焊剂时的３２％。

这种复合材料是不能满足使用要求的。

由此可见助焊剂的重要作用，它能够提高锅液对钢板的润湿效果，使界面形成牢固冶金结合，从而提高复合材料的界面结合强度。

一３１—
７
６
５
４
３
２ｌ
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析３．２钢板和铝液温度相同的实验结果分析
３．２．１扩散层的主要成分
为了研究钢板和铝液温度相同的液固相钢铝复合机理，我们从淬火后的钢板上取样，经过打磨，抛光后，利用ＥＰＭ＿８１０Ｑ型电子探针做了界面的线扫描。

如图３．１３为钢板和铝液均为８５０。

Ｃ复合１１秒的电子探针扫描照片。

从左向右成下降趋势的曲线为铝的含量，成上升趋势的曲线表示的是铁的含量。

图３．１３钢板和铝液均为８５０４ｃ复合１１秒的扫描照片
Ｆｉｇ，３．１３Ｔｈｅ
ｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎ
ｂｏｔｈｓｔｅｅｌａｎｄｍｏｌｔｅｎＡＩａｌｅ８５０。

Ｃａｎｄ
ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅａｒｅ１７ｓｅｃ
为了研究扩散层的主要成分，对试样的成分稳定区进行定点分析，如表３．３，在成分稳定区铝原子和铁原子的比在３：１左右，所以可以确定，扩散层的主要成分为ＦｅＡｌ３。

表３．３电子探针定点分析结果
Ｔａｂｌｅ３．３Ａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｉｎｆｉｘｅｄ－ｐｏｉｎｔ
．３２．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析３，２．２复合肘问对扩散层厚度的影响
图３．１４中的（ａ），（ｂ），（ｃ）为钢板和铝液温度为８５０。

Ｃ时，在不同复合时间下钢板和铝液复合的界面线扫描照片，可以看出随着复合时间的增加，扩散层也随着变厚，但其速度很缓慢。

（ｂ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ５ｓｅｅ
、３３．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析
（ｃ）Ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１７ｓｅｃ
图３．１４钢板和铝液均为８５０＂Ｃ不同复合时间的扫描照片
ｗｈｅｎｂｏｔｈｓｔｅｅｌａｎｄ
Ｆｉｇ．３．１４Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅ
ｍｏｌｔｅｎＡＩａｒｅ８５０＂Ｃｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅ
在钢板和铝液都为８５０℃复合时间为３秒的时候，扩散层的厚度大约为１０ｕｍ；复合时间为５秒的时候，扩散层的厚度大约为１１ｕｍ；复合时间为１７秒的时候，扩散层的厚度大约为１４斗ｍ。

３．２．３钢板和铝液温度对扩散层厚度的影响
图３．１５和图３．１６是钢板和铝液的温度分均为８５０。

Ｃ和７５０℃时，保温时间为１秒的扫描照片。

其中钢板和铝液均为８５０＂Ｃ时，扩散层的厚度大约为６ｌａｍ，钢板和铝液均为７５０℃时，扩散层的厚度大约为４ｔｉｍ。

由图３．１５和图３．１６可以看出，在钢板与铝液接触的瞬间，铝原子和铁原子的互扩散就已经开始，而且扩散层比较厚。

主要是由于在实验中钢板和铝液具有相同的温度，使钢板和铝液进行复合的时候铝液一直保持比较高的温度，这就降低了铝液的表面张力，增强了铝原子的活性，也提高了铝原子向铁中扩散的系数，这一切因素都使得钢板和铝液在复合的时候有比较快的扩散速度。

．．３４．．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析
图３．１５钢板和铝液的温度均为８５０。

Ｃ复合１秒的扫描照片
ａｎｄｍｏｌｔｅｎＡＩａｒｅ８５０。

ＣａｎｄＦｉｇ．３．１５Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｂｏｔｈｓｔｅｅｌ
ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１Ｓｅｅ
图３．１６钢板和铝液的温度均为７５０６Ｃ复合１秒的扫描照片
ｗｈｅｎｂｏｔｈｓｔｅｅｌａｎｄｍｏｌｔｅｎＡＩａｔｅ７５０‘ＣａｎｄＦｉｇ．３．１６Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅ
ｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１ｓｅｃ
图３．１７和图３．１８为钢板和铝液温度分别为８５０＂Ｃ和７５０＂Ｃ，复合时间为２０秒的界面电子扫描照片。

可以测量出在钢板和铝液均为８５０＂Ｃ时的扩散层厚度比７５０℃对的厚大约３ｐｍ左右。

丽在钢板和锚液温度不同的状态下复合，复合时间为
一３５．
东北大学硕士学位论文第３章实验结果与分析２０秒时，铝液温度为８５０。

Ｃ和７５０６Ｃ的扩散层厚度相差７ｕｍ左右，主要是由于在钢板和铝液温度不相同的条件下复合，由于钢板的温度很低，均为２５０。

Ｃ，使铝液在和钢板复合之前就已经有了比较大的降温，铝原子的活性减弱，铝原子向铁中扩散的系数减小，可见在铝液温度相同的条件下钢板的温度对扩散层的长大也起着重要的作用。

图３．１７钢板和铝液均为８５０℃复合２０秒的扫描照片
ｓｔｅｅｌａｎｄ
Ｆｉｇ．３．１７Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｂｏｔｈ
ｍｏｌｔｅｎＡＩａｒｅ８５０。

Ｃａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ２０ＳＣＣ
图３．１８钢板和铝液均为７５０‘Ｃ复合时间２０秒的扫描照片
Ｆｉｇ．３．１８Ｔｈｅｓｃａｎｎｉｎｇｐｈｏｔｏｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｂｅｗｈｅｎｂｏｔｈｓｔｅｅｌａｎｄ
ｍｏｌｔｅｎＡＩａｒｅ７５０＂Ｃａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｔｉｍｅｉｓ２０ｓｅｅ
分析其根本原因是铝液和钢板复合时，铝液和钢板的温度场变化对整个扩散过程起着至关重要的作用。

．３６—
东北大多硕士学位论文第４章液固相钢铝复合界面扩散反应的动力学数学模型第４章液固相钢铝复合界面扩散反应的动
力学数学模型
为了研究液固相钢铝复合材料界面反应发生时金属间化合物的形成机理，首先必须了解界面早期互扩散规律。

即刚开始出瑰金属间化合勒相的时刻。

综合前面的界面扫描照片，我们可以绘出温度，复合时间和界面扩散层厚度的关系图。

１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６１７１８】９２０
Ｔｉｌ＇ｎｅ（ｓ）
图４．１钢板为２５０。

Ｃ时扩散层中ＦｅＡｌ３的厚度与时间的关系
Ｆｉｇ．４１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｂｏｎｄｉｎｇ
ｔｉｍｅｗｈｅｎｓｔｅｅｌｉｓ２５０℃
图４．１是钢板温度为２５０℃，铝液分温度别为７５０。

Ｃ和８５０℃时，扩散层中的主要成分ＦｅＡｌ３的厚度与时间的关系。

从图中我们可以看出，扩散层中ＦｅＡｌ３的厚度随着复合时间的延长而逐渐变厚，但相对于铝液温度为８５０℃而言，铝液温度为７５０。

Ｃ的扩散层涨幅要慢，因为铝液为８５０。

Ｃ时，铝液表面的张力小，对铜板的润湿效果好，扩散系数大，所以扩散层长大的就快【４”。

４．１液固相钢铝复合的温度场模拟
由前述可知，在液固相钢铝复合中，铝液和钢板温度场的变化对最终的复合结果起着重要的作用。

因此对复合过程的温度场进行模拟，分析在复合过程中温度场的变化情况，对研究钢铝复合的最终结果起指导性的作用。

本文采用ＡＮＳＹＳ
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有限元法对钢板温度谓２５０℃，铝液温度分别为７５０℃和８５０℃时复合的温度场进行模拟。

４．１．１物理模型
在液固相铜铝复合实验中，是把加热到预定温度的钢板放入预定温度的铝液中，复合一定的时间后，快速冷却。

可以截取铜板的中部平面作为分析的物理模型。

如图４．２所示物理模型中部的矩形区代表的是钢板，圆形区代表的是铝液。

图４．２模拟复台的物理模型
ｍｏｄｅｌｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｂｏｎｄｉｎｇ
Ｆｉｇ．４．２Ｐｈｙｓｉｃａｌ
由实验可知，在复合的过程中钢板完全处于铝液的环境中，为了简化计算，对模型做如下假设１４８‘５０】：
（１）假设铝液是牛顿流体，不可压缩流；
ｆ２）由于坩埚中的铝液相对钢板来讲很多，故可假设钢板周围的铝液为环境，即钢板所处的环境温度为铝液的温度。

４．１．２模拟结果及分析
图４．３钢板的有限元分析模型
Ｆｉｇ．４．３Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｓｔｅｅｌ
钢铝复合过程中温度场的变化直接影响着扩散层的长大速度和复合界面的结合强度，因此深入分析温度场的变化对控制界面的性能有非常重要的意义。

图４．３是钢板的有限元分析模型，在不同复合时问对温度场的模拟结果如下；
一３９．
图４．４铝液温度为７５０４Ｃ的温度场模拟
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎＡ１ｉｓ７５０。

ＣＦｉｇ．４．４
．．４０．．
东北大学顾士学位论文第４章液固相钢铝复合界面扩散反应的动力学数学模型图４．４是铝液温度为７５０１Ｃ，钢板温度为２５０。

Ｃ，复合时间为１秒、５秒、８秒、１４秒、２０秒的温度场模拟结果。

可以看到，在复合时间为１秒的时候钢板迅速升温，两侧的温度为３５０℃，中部为３１２℃；复合时间１４秒的时候两侧温度为７０２℃，中部为６８５℃；复合时间２０秒的时候，两侧的温度为７３０℃。

中部为７２３℃。

复合时问短的时候两侧和中部的温差较大，随着复合时间的加长。

两侧和中部的温差逐渐缩小。

．４１．
东北大学硕士学位论文第４章液固相钢铝复合界面扩散反应的动力学数学模型
图４．５铝液温度为８５０＂Ｃ的温度场模拟
ＡＩｉｓ８５０。

Ｃ
Ｆｉｇ．４．５Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｗｈｅｎｍｏｌｔｅｎ。