张丽娟
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周惦武
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刘金水
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徐少华
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乔小杰
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李升
中国有色金属学报
采用光纤激光器对1.4 mm厚DC51D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行添加Mn、Zr粉末的激光搭接焊试验，利用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等研究焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、断口形貌、主要物相与接头的力学性能。结果表明：在钢/铝激光焊中添加Mn、Zr粉末，焊接接头平均抗剪强度与没有添加粉末相比，有所提高，其中添加Zr粉末的提高效果明显；Mn、Zr粉末的添加改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态，添加Mn能提高熔池金属的流动性，利于钢/铝界面结合，而添加Zr，焊缝区晶粒细小，形成新的ZrFe3.3Al1.3韧性相，抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成。因此，添加Mn、Zr均改善了钢/铝焊接接头的力学性能。
关键词:
激光焊接
,
异种金属
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金属间化合物
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微观组织
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力学性能
彭利
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周惦武
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徐少华
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彭平
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刘金水
中国有色金属学报
采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算Fe8Al8及(Fe7X)Al8 (X=Pb,Sn,Ti,Cu,Mn,Si,Zn)超胞模型的弹性模量与电子结构,在分析合金化元素改善FeAl金属间化合物力学性质的基础上,选取降低脆性效果较好的Cu和最好的Pb,对1.2 mm厚DC56D+ZF镀锌钢和1.15 mm厚6016铝合金平板试件进行加入中间夹层Cu和Pb的激光搭接焊试验.结果表明:FeAl金属间化合物为脆性相,其电子结构根源在于Fe的sd态与Al的sp态存在电子轨道杂化,为明显的共价键特征；FeAl合金化后,脆性降低,相应脆性由低到高的顺序为(Fe7Pb)Al8、(Fe7Sn)Al8、(Fe7Ti)Al8、(Fe7Cu)Al8、(Fe7Mn)Al8、(Fe7Si)Al8、(Fe7Zn)Al8、Fe8Al8,Pb合金化降低脆性效果最好,激光搭接焊加入中间夹层Pb,钢侧母材与焊缝界面区由母材侧较大晶粒和焊缝的细小晶粒交错形成,熔池金属与母材铝之间没有明显的分界线,焊接接头界面熔合良好；与未加夹层相比,加入中间夹层Cu和Pb后,焊接接头力学性能提高,其中Pb的作用优于Cu的,试样断口均具有韧性断裂特征.
关键词:
镀锌钢
,
铝合金
,
第一性原理计算
,
激光搭接焊
,
FeAl脆性金属间化合物
,
力学性质
周惦武
,
戴婷
,
徐少华
,
刘金水
中国有色金属学报
采用光纤激光器对1.4 mm厚的DC56D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚的6016铝合金平板试件进行有无胶层加入的激光搭接焊和耐蚀性实验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等分析胶层加入前后焊接接头的金相组织、断口形貌、界面元素、腐蚀速度、腐蚀产物形貌与成分以及接头力学性能,探讨胶层影响钢/铝焊接试样耐腐蚀性能的作用机制.结果表明:激光功率1650 W,焊接速度35 mm/s,离焦量+3.0 mm,Ar为保护气体且流量为20 L/min的工艺条件下,加入胶层,焊接试样正面焊缝均匀连续,无气孔和裂纹等缺陷;胶层的加入改善了搭接焊中因间隙而产生的热传递受阻现象,与未加胶层相比,横截面金属平板试件间隙减少,熔深值增大;胶层受激光作用分解形成气体和固体残留物,改变铝合金表面高反射率状况,加大铝合金对激光能量的吸收,钢/铝熔融金属冷却后互相嵌入,与未加入胶层相比,钢/铝界面分界线不十分连续;激光焊接中加入胶层,焊接接头抗剪强度与平均剪切力分别为41.45MPa和1.04 kN,力学性能并没有因为胶层的加入而减弱;同等腐蚀条件下,焊接试样腐蚀方式为电偶腐蚀,腐蚀产物主要为Fe2O3、FeO(OH)、Fe6(OH)12CO3,与未加入胶层相比,焊接试样腐蚀速度减慢,耐蚀性提高;由于胶层具有绝缘性,可以抑制阳极和阴极之间的电子交换,减缓电偶腐蚀,因此,胶层的加入明显提高了钢/铝焊接试样的耐腐蚀性能.
关键词:
钢/铝异种金属
,
激光胶接焊
,
焊缝形貌
,
耐腐蚀性能
周惦武
,
徐少华
,
张福全
,
彭平
,
刘金水
稀有金属材料与工程
采用基于密度泛函理论Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg-Al-Ca合金系金属间化合物的力学性质与热力学性能.结果显示:DI3型结构Al4Ca为延性相,C15型结构Al2Ca与C14型结构Mg2Ca为脆性相,C15型结构Al2Ca塑性最差;采用弹性常数计算结果预测的Al2Ca熔点与实验值很接近,误差仅为4.06%;而不同温度下热力学性能的计算结果表明,在298.15~425 K温度范围内,Al2Ca的Gibbs自由能最小,对应其相结构的热稳定性最好;而Al4Ca次之,Mg2Ca最差;随着温度的升高,Mg2Ca的Gibbs自由能下降最快,对应结构的热稳定性增强也最快;在525 K以上时,Mg2Ca的结构热稳定性最好,其次是Al2Ca,而Al4Ca最差.
关键词:
Mg-Al-Ca合金系
,
金属间化合物
,
热力学性能
周惦武
,
田伟
,
徐少华
,
刘金水
稀有金属材料与工程
对1.8 mm厚AZ91镁合金和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行激光搭接焊试验,利用体视显微镜、卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、电子显微硬度仪、微机控制电子万能试验机等手段研究镁/铝焊缝的表面成形性、接头区域的金相组织、界面元素分布、断口形貌、主要物相、显微硬度与接头力学性能.结果表明:激光功率1900W,焊接速度50 mm/s,离焦量f为0,Ar气保护气体流量为15 L/min时,焊缝表面成形性良好,热影响区窄,晶粒细化;焊接接头平均抗拉强度和抗剪强度分别为13.99和12.79 MPa,镁侧和铝侧焊缝硬度均高于母材;剪切断口较平坦、光滑,出现相互平行的疲劳条纹;拉伸断口存在较多高度不一致的解理台阶,呈脆性断裂特征;镁/铝焊缝界面存在Mg17Al12、Mg2Al3主要物相,其中Mg17Al12脆性相高温下比Mg2Al3延性相结构稳定,是镁/铝焊接接头呈现脆性特征和较难实现焊接的主要原因.
关键词:
镁/铝异种金属
,
激光焊接
,
金属间化合物
,
力学性能
周惦武
,
刘金水
,
徐少华
,
陈根余
稀有金属材料与工程
采用基于密度泛函理论的Dmol4.1程序包,通过计算替换Mg、形成Mg空位、体系移走H原子所需能量及电子结构的改变,对金属氟化物改善MgH2体系解氢性能的机制进行探讨.结果发现:形成Mg空位所需能量明显高于Fe、Ti、Zr、V、Ni、Nb、Cr、Cu替代Mg所需能量,与形成Mg空位相比,低温下替代Mg更利于MgH2体系解氢:NiF2、NbF5、ZrF4作为催化剂利于MgH2体系解氢,理论计算的强弱顺序与实验结果一致:NiF2、NbF5、ZrF4金属氟化物改善MgH2体系解氢性能主要在于NiF2中的Ni、NbH中的Nb、ZrH2中的Zr分别替代MgH2中的Mg,加速了化学反应:NiF2+3MgH2=MgF2+Mg2NiH4、2NbF5+5MgH2=5MgF2+2NbH+4H2、ZrF4+2MgH2=2MgF2+ZrH2向右进行,使结构稳定的MgH2发生转变生成了Mg2NiH4、NbH和ZrH2等氢化物.电子态密度的进一步分析结果发现:Ni、Nb、Zr替代MgH2体系中的Mg,使超胞中心原子与其周围第1、2近邻H原子组成的八面体区域,成键的总电子数在费米能级以下按Ni、Ti、Zr的替代顺序增多,表明对应MgH2体系的结构稳定性按Ni、Ti、Zr的替代顺序增强,而解氢按Ni、Ti、Zr的替代顺序在下降,较好解释了NiF2、NbF5、ZrF4利于MgH2体系解氢,理论计算的强弱顺序与实验结果的一致性.
关键词:
MgH2
,
密度泛函理论
,
解氢性能
,
机制
周惦武
,
徐少华
,
张福全
,
彭平
,
刘金水
金属学报
doi:10.3724/SP.J.1037.2009.00436
采用基于密度泛函理论Castep和Dmol程序软件包,计算了ZA62镁合金中AB_2型金属间化合物MgZn_2,Mg_2Sn和MgCu_2的结构稳定性、弹性性能与电子结构.合金形成热和结合能的计算结果显示:Mg_2Sn具有最强的合金化形成能力,而MgCu_2结构最稳定;体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比(v)的计算结果表明:MgZn_2和MgCu_2为延性相,而Mg_2Sn为脆性相,MgZn_2的塑性最好;采用弹性常数、体模量和结合能的经验公式计算金属间化合物的熔点,实验值均在采用弹性常数(±300 K)和体模量(±500 K)计算熔点预测的范围内,采用弹性常数比采用体模量和结合能预测熔点的平均相对误差小,其中采用弹性常数计算Mg_2Sn的熔点与对应的实验值十分接近,相对误差仅为0.31%.不同温度下热力学性质的计算结果表明,在298-573 K温度范围内,MgCu_2的Gibbs自由能始终最小,其结构热稳定性最好,结构稳定性的强弱顺序并不随温度的升高而消失;而对MgZn_2和Mg_2Sn,以475 K为临界,结构稳定性的强弱顺序随温度的升高发生了变化;态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:MgCu_2结构最稳定的原因主要在于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的离子键作用.
关键词:
镁合金
,
金属间化合物
,
电子结构
,
结构稳定性
,
弹性性能
周惦武
,
刘金水
,
徐少华
,
彭平
金属学报
doi:10.3724/SP.J.1037.2011.00245
采用基于密度泛函理论的CASTEP和DMOL程序软件包,计算了Mg17Al12,Al2Sr和Mg2Sr相的结构稳定性、弹性性能和电子结构.合金形成热和结合能的计算结果显示,Al2Sr具有最强的合金化形成能力和结构稳定性.Gibbs自由能的计算结果表明,随着温度的升高,Mg17Al12,Al2Sr和Mg2Sr的结构稳定性发生了变化,在实际工作温度高于423 K以上时,Al2Sr的结构稳定性最好,Sr合金化Mg-Al基合金形成Al2Sr有利于提高镁合金的高温抗蠕变性能.体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比(v)的计算结果表明,Mg2Sr为延性相,而Mg17Al12和Al2Sr为脆性相,Mg2Sr的塑性最好.态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明,Al2Sr结构最稳定的原因主要源于体系存在强烈的共价键作用,而Mg17Al12结构稳定性优于Mg2Sr是体系中离子键与共价键共同作用的结果.
关键词:
镁合金
,
第一原理计算
,
电子结构
,
结构稳定性
,
弹性性能
周惦武
,
彭艳
,
徐少华
,
刘金水
金属学报
doi:10.3724/SP.J.1037.2012.00787
采用光纤激光器对厚度为1.4 mm的DC56D+ZF镀锌钢和厚度为1.2 mm的6016铝合金平板试件进行了添加Sn粉的激光搭接焊实验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射和微机控制电子万能试验机等研究了添加Sn粉前后焊接接头各区域的金相组织、断口形貌、界面元素分布、主要物相与接头力学性能,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了添加Sn后新形成物相FeSn和FeAl化合物的模量和热力学性能.结果表明,在激光功率为2000W,焊接速度45 mm/s,离焦量+2.0 mm,Ar气为保护气体且流量为15 L/min的条件下,添加Sn粉焊接试样的焊缝表面成形性良好,焊缝区晶粒细小,焊接接头的平均剪切强度为62.17 MPa,与没有添加Sn相比,剪切强度提高1.46倍.由于细晶强化,提高熔池金属的流动性,利于钢/铝合金界面结合,减少Fe-Al金属间化合物层厚度,新形成的FeSn的金属间化合物具有较好延性,高温下结构稳定,抑制或减少了Fe-Al脆性金属间化合物的生成,因而添加Sn粉改善了焊接接头的力学性能.
关键词:
激光焊接
,
钢/铝合金异种金属
,
金属间化合物
,
添加Sn粉
