合金元素对Fe/Al界面反应影响的研究进展

Fe/Al界面反应涉及轻量化设计中的钢/铝焊接、铝合金铸造过程中铝熔体对模具钢的腐蚀及提高耐腐蚀、耐磨损性能的热浸镀铝涂层的制备等工业领域,在此过程中由于Fe、Al原子的互扩散而在界面上生成脆性的Fe-Al金属间化合物(IMC)层,该IMC层对上述的各种性能起着决定性作用.因此,如何根据最终的性能要求来控制该界面反应具有十分重要的科学意义.诸多文献从钢/铝焊接、钢热浸镀铝等方面研究了Fe/Al界面反应,并取得了丰硕的成果.但由于该界面反应大多为非平衡条件下进行的反应扩散过程,界面处生成的Fe-Al IMC厚度很薄且脆性较大.同时,合金元素及其交互作用会对这一界面反应产生复杂影响.具体表现在:Si易在IMC晶界处富集,对IMC的生长起抑制作用,Zn则可加速Fe/Al界面反应,但Si、Zn的影响与其存在形式有关;Fe-Cr-B铸钢热浸镀铝时会在反应界面上生成周期性层片结构(PLS),而Cr、Zn等合金元素会对生成PLS的界面反应产生重大影响,其中,Fe-Cr-B铸钢中的Cr含量是基础,只有Cr含量位于特定范围内,该界面反应才会生成PLS;Al熔体中的Zn会导致界面反应由Fe/Al转变为Fe/Zn,发生该转变时Al-Zn熔体中Al的临界含量为0.3％(质量分数,下同).本文从纯Fe/Al固液界面反应入手,阐述并讨论合金元素对这一界面反应生成IMC的类型、形貌及厚度的影响及其机理.结合已有的研究结果,分析了Fe-Cr-B铸钢热浸镀铝时界面组织结构的演变规律,最后,对Fe/Al界面反应的研究方向进行了展望,旨在为相关工程应用提供理论指导.