摘要:采用扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)分析了Fe₃Al/18-8扩散焊界面附近的结构特征,研究了界面扩散反应层厚度与加热温度和保温时间之间的关系,推导出界面扩散反应层的生长规律。结果表明, Fe₃Al/18-8扩散焊界面附近形成FeAl、Fe₃Al、Ni₃Al和α-Fe (Al)固溶体,这些相结构有利于促进界面元素的扩散及扩散反应的发生。界面扩散反应层的形成有一定的潜伏时间t₀,反应层的生长遵循抛物线规律,其厚度X与加热温度T和保温时间t的关系为X²=4.5×10^-4exp(-55.7/RT)(t-t₀)。

关键词:Fe₃Al/18-8界面;扩散焊;反应层

0前言

Fe₃Al是具有DO₃型有序超点阵结构的金属间化合物，硬度高、耐磨损、抗硫化和耐腐蚀性能较好^[1-3]，不锈钢是目前耐腐蚀场合下广泛应用的钢。如果能够制备出Fe₃Al与不锈钢的复合构件，将充分发挥两种材料在性能与经济上的优势互补，在航空航天、石油化工、电力建设等领域具有广阔的应用前景^[4]。如何实现Fe₃Al与不锈钢的连接，具有重要的意义。Fe₃Al由于脆性较大，采用熔焊方法容易产生焊接裂纹，而真空扩散焊属于固态扩散连接，其焊接过程又是在真空气氛中进行，因此，采用真空扩散焊工艺焊接Fe₃Al与不锈钢异种材料，可以有效避免焊接裂纹的产生。文献[5]对Fe₃Al与18-8不锈钢的真空扩散焊工艺进行了研究，并提出了合适的工艺参数，但有关Fe₃Al/18-8扩散焊界面附近的结构特征及界面反应层的生长行为尚未见报道。

本文采用扫描电镜（SEM）观察Fe₃Al/18-8扩散焊界面附近的结构特征，采用电子探针（EPMA）对Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的成分进行分析，研究了界面扩散反应层厚度与加热温度和保温时间之间的关系，得出界面扩散反应层的生长规律。这对研究Fe₃Al与其他材料的焊接，推进Fe₃Al金属间化合物在工程结构中的应用提供试验基础和理论依据。

1试验材料及方法

试验材料为Fe₃Al金属间化合物和18-8奥氏体不锈钢。其中Fe₃Al是经过真空感应炉熔炼后制成的板材，化学成分和热物理性能见表1。采用线切割方法将Fe₃Al和18-8不锈钢分别切成100×20×20mm³和100×20×8mm³的待焊试板。

焊前首先采用机械打磨和化学清洗方法将Fe₃Al和18-8钢待焊试板表面的铁锈、杂质和氧化膜去除。然后将两试板迭合在一起，放入WorkhorseⅡ型扩散焊设备的真空室中，上下表面各放置一片云母，以防止试样与压头的粘结。焊接过程中采用电阻辐射加热，扩散焊工艺参数为：加热温度1000~1080℃，保温时间15~80min，焊接压力15MPa，真空度4.0×10^－4Pa。

焊后采用线切割方法从试件上切取Fe₃Al/18-8扩散焊接头并制备成金相试样，用王水溶液进行腐蚀。采用JXA-840扫描电镜分析Fe₃Al/18-8扩散焊界面附近的结构特征；采用JXA-8800R电子探针（EPMA）分析Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的成分；根据布加科夫（B。E。Eyrakob）提出的元素扩散距离与时间之间的抛物线规律研究Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的生长规律。

表1Fe₃Al金属间化合物的化学成分及热物理性能

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375088),山东省自然科学基金资助项目(Y2003F05)

2结果与讨论

2.1界面扩散反应层的组织结构

Fe₃Al与18-8钢扩散焊时，在工艺参数（T，t，P）和浓度梯度的综合作用下，母材中的元素不断向接触界面扩散。当达到一定浓度时，元素之间发生扩散反应，在接触界面附近形成具有不同于母材组织结构的扩散反应层。图1示出不同工艺参数下Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的特征。

(a) 1020℃×60min

(b) 1040℃×30min

图1Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的特征

(a)测量位置

(b)成分分布

图2Fe₃Al/18-8界面扩散反应层EPMA测量位置及结果

(1)

式中：x－扩散距离，μm；C_i－元素浓度，%；ΔC－界面两侧的浓度差，%；D₀－扩散因子，μm²/s；Q－扩散激活能，J/mol；R－气体常数，8.314J/(mol•K)；T－加热温度，K；t－保温时间，s；t₀－潜伏期时间，s。

根据公式(1)，求解出Al、Fe、Cr、Ni元素在Fe₃Al/18-8界面扩散反应层中的扩散激活能Q和扩散因子D₀，计算结果见表2。

由表2可见，元素在Fe₃Al/18-8界面扩散反应层的扩散激活能比在Fe₃Al及18-8钢基体中小。并且计算结果表明，相同的扩散焊加热条件下，Al、Fe、Cr、Ni在扩散反应层中的扩散系数均大于在Fe₃Al及18-8钢中的扩散系数。这是由于与组织成分相对均匀的母材基体相比，Fe₃Al/18-8扩散焊界面反应层的组织结构更有利于促进元素的扩散及扩散反应的发生。

相同工艺参数条件下Fe₃Al/18-8界面扩散反应层中元素的扩散距离不同，计算时以元素的最大扩散距离表示界面扩散反应层的厚度。将表2中的数据代入公式(1)，计算得到的Fe₃Al/18-8界面扩散反应层厚度(X)的计算公式为：

(2)

将计算结果与电子探针（EPMA）实测结果进行比较表明（见图4），Fe₃Al/18-8界面扩散反应层厚度的计算值稍大于EPMA实测值，这是由于计算时是以元素的最大扩散距离代表扩散反应层厚度的缘故。但是控制扩散焊保温时间小于60min时，扩散反应层厚度的计算值与EPMA实测值相差较小。

保温时间平方根 /s^1/2

(a) Al(b) Fe(c) Cr(d) Ni