铝/钢焊接接头界面Fe2Al5生长模拟研究

0 前言

铝/钢异种金属的焊接复合结构所具有的众多优良性能，在现代工业中被广泛应用，如汽车、轨道交通及航空等工业领域的轻量化中，并成为具有巨大工业潜力的异种金属复合结构，使其成为异种金属焊接及材料领域的研究热点［1－2］。

由于铝和钢两者的热物性差异较大，使得铝/钢焊接存在大量科学难题，如热过程的控制和表面浸润与铺展等，与此同时，铝/钢焊接过程中容易在焊缝结合界面上生成一层金属间化合物，且该金属间化合物对焊缝性能存在着重要影响，大量研究学者针对铝/钢焊接界面金属间化合物做出分析与研究。研究表明，在铝/钢焊接界面上生成的金属间化合物主要为Fe2Al5与FeAl3这两种，前者通常形成连续层靠钢侧分布，而后者通常离散分布于铝侧［3－4］。因此，Fe2Al5的生长形态对铝/钢焊接接头的性能形成关键性影响。金属间化合物Fe2Al5属于脆性相，在铝/钢焊接接头中的存在对接头的力学性能有着明显削弱。与此同时，Chen等人［5］表明铝/钢焊接界面上生成Fe2Al5时会造成微区体积膨胀，从而增加了界面上的组织应力，对接头的力学性能有严重的影响。针对Fe2Al5对铝/钢焊接接头性能的负面影响，大量研究注重于对Fe2Al5生成厚度的控制。秦国梁等人［6］研究表明Fe2Al5的生长厚度与铝/钢焊接过程中热输入之间存在着直接影响，大的热输入下，Fe2Al5的生成厚度明显较大，反之则较小。由此，不同的焊接方法被应用到铝/钢焊接过程，以此来改善焊接过程中热过程，如CMT、激光焊、脉冲旁路MIG电弧熔钎焊等［7］。与此同时，通过添加合金元素来改善铝/钢焊接界面金属间化合物的生长也受到相应的关注及研究［8－10］。

由于焊接过程本身所具有的复杂冶金物化反应过程，加之反应中又有金属间化合物这一复杂物相的生成，使得铝/钢焊接界面反应异常复杂。采用改进焊接工艺方法对Fe2Al5的研究，只能得到最终的生长形态、生长厚度及分布形态，但无法从机理上对Fe2Al5生长行为、生成厚度及生长形态进行揭示。随着物相数值模拟的发展与应用，借助数值模拟方法对Fe2Al5的生长行为进行模拟研究具有巨大潜力。当前应用较为广泛的模拟晶粒生长的数值模型有相场法、元胞自动机及蒙特卡罗方法等［11－12］。对于 Fe2Al5晶粒的生长过程而言，不同于通常意义上的凝固结晶及热处理再结晶过程，前者偏向于物理转变，而后者是一个化学反应过程。

针对铝/钢焊接过程中的主要生成金属间化合物Fe2Al5的生成机理的分析难题。基于Fe2Al5的晶体结构，对其生长过程进行物理几何抽象。采用蒙特卡罗随机计算模型，以脉冲旁路耦合电弧MIG焊为焊接方法的热过程作为模拟过程的温度参考［13］，对Fe2Al5晶粒的生长机理进行模拟分析。结合相应试验所获得的Fe2Al5生长形态结果进行对比分析，得出不同合金元素影响下Fe2Al5生长形态的差异性的形成机理。

1 Fe2Al5的晶体结构及生长分析

焊接初始阶段，液态铝中溶解的大量Fe原子与Al原子反应，使得金属间化合物Fe2Al5在初始界面上大量形核，直到其中界面上形成连续片状。形成连续片状后界面上的溶质扩散模式发生改变，即有液固扩散转变为固态扩散。固态扩散主要是Al原子通过Fe2Al5层朝钢侧扩散，而且不同的合金元素的加入，其扩散效果完全不同，从而形成不同形态的Fe2Al5晶粒形态［14］。

针对于此，结合 Fe2Al5晶体结构［15］，如图1所示，做出以下两点假设:①Al原子只能通过Fe2Al5晶体中的c轴空位进行传输;②只有Al原子扩散至Fe2Al5晶粒生长前端时才能与Fe原子反应生成Fe2Al5。

图1 Fe2Al5晶体结构三维示意图

基于上述假设，建立如图2所示的Fe2Al5晶粒生长示意图。其中，c轴取向即为Fe2Al5晶粒的生长取向，以c轴方向与界面之间的夹角θ来表示。晶体c轴方向生长尺度为L，与形核界面的夹角为θ，从而得出，垂直于形核界面方向的生长厚度为H，且H=L×cosθ。

图2 Fe2Al5晶粒生长示意图

2 模型建立

2．1 温度场

基于试验所测的焊接温度随时间变化值，将时间离散为模拟时间步(Monte carlo step，MCS)。为了减小模型的计算量，将升温过程去除，模型所用温度从最高温度开始，如图3所示。关于温度场做以下假设:一是温度只随时间变化，整个界面空间区域温度无差异;二是区域内能量值的变化不会影响该区域的温度值。

图3 界面的温度随模拟时间的分布

2．2 空位扩散机制

当Fe2Al5晶粒在初始界面上形成片状之后，主导Fe2Al5晶粒生长的就是Al原子在Fe2Al5晶体空位中的扩散过程。由于Fe原子半径大于Al原子，模型中只考虑Al原子通过空位朝钢侧扩散。基于图2所示的生长模型，菲克第二定律扩散偶进行求解，具体表达式如(1)～(2)所示。

其中求解形式为:

式中:C0为界面处Al的初始浓度;D为Al在Fe2Al5晶体内的扩散系数［16］;x为扩散距离，在模型中 x采用Fe2Al5晶体c轴方向晶粒生长尺寸L表示;t在模型中采用离散的模拟时间步表示。

模拟过程中，将连续量离散化处理，即x处在时间步t下的Al原子浓度C(x，t)表征为x处在时间步t下对Al原子的捕获概率PC。

2．3 区域能量演化规则

基于MC模拟方法，采用随机抽样方法获取单元格点。通过计算单元格点与其临近格点之间的结合能量，从而获得E0。然后，改变该单元格点的状态属性，再次计算出能量E1。

模型中的网格几何关系如图4所示。如红色格点中的属性为A，其邻近的四个格点与其属性之间形成一定的粘接功，将此粘接功定义为各格点属性之间的界面能。整个模拟系统中存在三种属性，即Fe2Al5，Fe和 Al。其中粘接功有以下六种组合:EFe2Al5－Fe2Al5，EFe2Al5－Fe，EFe2Al5－Al，EFe－Al，EFe－Fe，EAl－Al 。根据界面热力学可以得出式(3)～(4)。

其中:γX正比于对应温度下X的吉布斯自由能大小。

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图4 格点几何关系示意图

2．4 模拟过程

模型中采用随机均匀抽样法选取单元格点，格点初始属性分为两种，即Fe，Al。模拟过程中对随机抽取的格点属于属性Fe2Al5，采用数值标定，且赋定一个取向值Q，其中1＜Q＜N，模型中通过Q来区分不同晶粒，且Q=cosθ。格点形核后晶粒的取向由c轴与形核界面的夹角θ决定。界面迁移的概率如式(5)～(6)所示。

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3 模拟结果分析

基于所建立的模拟模型，构建400×600的四边形二维网格系统，以二维网格平面法向方向作为参考方向，通过夹角θ来确定晶粒的c轴方向，具体网格几何结构如图5所示。采用固定边界条件，其中夹角θ取值为10°＜θ＜90°，总模拟时间步为2×105。模拟结果如图6～9所示。

图5 二维网格示意图

图6 20 000模拟时间步下Fe2Al5晶粒生长形态

在模拟的初始阶段，如图6a，6b所示，Fe2Al5在形核界面上大量形核，晶核在界面上不存在明显的取向性，即各个取向的晶粒大小基本无差别。与此同时，可以看到，靠近钢侧有的晶核有明显长大趋势。在界面上形核基本结束之后，Fe2Al5在初始界面上基本形成连续片层状，Fe，Al原子的扩散成为Fe2Al5晶粒生长的主要影响因素。由图7a，7b可以看出，界面上某些确定向的晶粒朝钢侧呈现优势生长，其生长速度远大于界面上其他晶核。这是由于这些晶粒的取向夹角θ≈90°，Al原子的扩散方向与其生长方向一致，所以生长速度远大于其他取向晶粒，即界面上存在明显的竞争生长机制。由图8～9可以看出，随着生长时间的增加，界面上的优势晶粒取向生长呈现“板条状”，在界面上呈现竞争优势，而其他取向的晶粒在后续的生长过程中严重被抑制。由此可以得出，Fe2Al5在界面上的晶粒形态分布类似于铸造过程中的外层细等轴晶和柱状晶的分布。影响这一分布规律的原因是Al原子在固态金属间化合物Fe2Al5中的扩散机制不同。模拟结果与文献［17］基本吻合，说明模型对Fe2Al5的形成生长机理有着客观的揭示。

图7 80 000模拟时间步下Fe2Al5晶粒生长形态

图8 140 000模拟时间步下Fe2Al5晶粒生长形态

图9 200 000模拟时间步下Fe2Al5晶粒生长形态

为了验证数值模拟和理论分析的合理性，基于EBSD对界面上Fe2Al5的晶粒形态进行了分析，并将试验分析结果与模拟结果进行比较，结果如图10所示。从晶粒形态上可以明显看出，两者吻合度较高。Fe2Al5在界面上主要以“板条状”形态呈现，粗大板条中夹杂一些细小板条状。表面Fe2Al5晶粒在界面上存在明显竞争生长现象，也进一步说明了模拟方法和理论分析是客观可行的。即Fe2Al5在界面上的生长主要受到Al原子在Fe2Al5晶粒空位中的扩散影响。

组织管理能力是指组织和管理班集体，对学生和班级日常工作进行组织管理的能力，包括管理班级或工程研究队伍的经验，参加学校管理活动和组织集体活动的经历等。目前我国应用型本科院校教师在组织管理能力方面表现良好，大多数教师经过培训和锻炼均能较好地管理班集体。

图10 试验结果与模拟结果对比

界面上Fe2Al5晶粒生长速度由图11所示，可以看出Fe2Al5在的生长呈现“S”状形态，即在生长前期形核占主导地位，所以生长速度较慢，随着大量晶核在初始界面上形成连续片层状，界面上Fe，Al原子的扩散机制发生变化，生长占据主导地位。此刻Fe2Al5在界面上的生长速度最大，因为温度较高，扩散较为活跃。随着时间的增加，焊缝冷却，界面上Fe2Al5的生长速度区域平缓，到最后生长停止。说明该模型与晶粒生长的经典理论较为吻合。

4.依法保护民营企业合法权益。加强民营企业产权保护，依法保障民营企业和企业家合法财产不受侵犯、合法经营不受干扰。严厉打击针对民营企业的不正当竞争行为，对侵犯民营企业商标、专利、商业秘密等知识产权以及损害民营企业商业信誉、商品声誉的违法行为，及时予以纠正。对民营企业和人员的一般违法行为，慎用查封、扣押、冻结等措施，最大限度降低对涉案企业正常生产经营活动的不利影响。依法必须采取查封、扣押、冻结措施处置涉案财物的，必须严格区分个人财产和企业法人财产、区分违法所得和合法财产、区分涉案人员个人财产和家庭成员财产，结案后及时解封、解冻非涉案财物。

《西厢》内如“魂灵儿飞在半天”，“我将你做心肝儿看待”，“魂飞在九霄云外”，“少可有一万声长吁短叹，五千遍捣枕椎床”，语意皆露，殊无蕴藉。如“太行山高仰望，东洋海深思渴”。则全不成语。此真务多之病。[16](P7-8)

图11 Fe2Al5生长厚度随时间变化曲线

4 结论

(1)针对Fe2Al5的晶体结构，采用蒙特卡罗随机模型来建立的Fe2Al5晶粒生长模型可以实现对其生长的模拟研究。模型可以精确的模拟出不同形核取向下Fe2Al5的生长过程，并可视化的揭示了Fe2Al5在界面上呈现竞争生长的形态。

(2)结合试验结果与模拟结果的对比分析，论证了Fe2Al5在界面上的生长形态主要是由于Fe，Al两种原子在Fe2Al5晶粒中的扩散机理不同所造成的。

4.防治方法。彻底清塘，有机肥要充分发酵后再使用，保持优良的水质，加强管理，科学投饵，提高鱼体免疫能力，有寄生虫时及时杀虫。发病季节定期泼洒生石灰或漂白粉，防止此病发生。

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