ＧＬ渗铝钢管合金渗层相组成、变形及焊接性能研究李亚江，王先礼，楼凤笑（山东工业大学济南２ ５００１４）摘要利用光镜、扫描电镜（ＳＥＭ）、电子探针（ＥＰＭＡ）、ｘ－射线衍射和电子 衍射等试验方法，对感应料浆法（ＧＬ）渗铝钢管Ｆｅ－Ａｌ合金渗层的相组成进行了研究。结果 表明，ＧＬ渗铝钢管渗铝层主要由α－Ｆｅ（Ａｌ）
固溶体、Ｆｅ３Ａｌ和ＦｅＡｌ构成。渗层中 不存在含铝更高的ＦｅＡｌ２、Ｆｅ２Ａｌ５和ＦｅＡｌ３等脆性相，显著改善了渗铝钢的承受变 形能力和焊接性能。叙词：渗铝钢，相组成，变形，
焊接接头０前言渗铝钢具有优异的抗氧化性和 在某些介质（如环烷酸、湿硫化氢和高温硫等）中的耐腐蚀性，受到众多研究者的关注［１～３］ 。对于不同的渗铝工艺，渗铝层的相组成和性能差异极大。热浸法渗铝工艺生产的渗铝钢管在设备 安装施工中易在渗铝钢管变形部位或焊接接头区域渗铝层中产生微裂纹，严重影响设备的使用性能 。感应料浆法（ＧＬ）渗铝工艺的显著特点是可以通过生产工艺参数控制渗铝层厚度和合金渗层的 铝浓度和相组成，消除由铝含量较高的脆性相构成的脆性外表层，使渗铝钢的承受变形能力和耐热 抗蚀性有很大的提高，尤其是使其焊接性能得到明显改善。１试验方法试验母材为碳素渗铝钢管（ Φ１１４×６ｍｍ），采用感应料浆法渗铝工艺。该渗铝工艺包括：工件表面须处理、渗铝剂配制 、渗剂和保护剂的涂覆与干燥、热扩散处理和渗后清理等程序。采用机械方法在渗铝钢管及焊接区 域截取试样。采用光学显微镜、扫描电镜（ＳＥＭ）、电子探针（ＥＰＭＡ）、Ｘ－射线衍射和电 子衍射等试验方法对Ｆｅ－Ａｌ合金渗层的厚度、
显微硬度、铝浓度和相组成进行分析。通过拉伸 和弯曲试验对渗铝钢管力学性能和渗铝层承受弯曲变形的能力进行考查。２试验结果及分析２．１ 渗铝层金相特征用３％硝酸酒精溶液浸蚀渗铝钢试样断面可使渗层与基体组织显露出来。经测试， 渗铝钢管内、外壁的合金渗层厚度分别为０．１５～０．２２ｍｍ和０．１４～０．２０ｍｍ。采 用显微硬度计对渗铝层的显微硬度进行测定，载荷是５０ｇ，加载时间１２ｓ。显微硬度从渗层表 面到基体逐渐降低（见表１）。合金渗层显微硬度低可使渗铝钢管具有较好的承受变形能力。表１ 合金渗层的显微硬度渗层中的铝含量是评定渗铝层性能的重要参数。为了形成连续致密的Ａｌ２Ｏ ３保护膜，温度大于１０００℃时约需铝８％～２５％，８００℃时约需铝５％～８％［４］。采 用电子探针（ＥＰＭＡ）自渗铝层表面沿深度方向选取测点分析合金渗层的成分，各测点的间距为 ４６μｍ。分析结果表明，合金渗层中的铝含量随着渗层深度的增加而降低（见表２）。当渗铝层 深度不超过１４０μｍ时，铝含量在８％以上。表２渗铝层中Ａｌ、Ｆｅ含量的分布２．２合金渗 层的相组成对渗铝钢试样在Ｆｅ－Ａｌ合金渗层区域逐层进行Ｘ－射线衍射相结构分析，采用的是 Ｃｕ－Ｋａ靶，工作电压４０ｋＶ，工作电流１５０ｍＡ。渗铝层表层和深度为５０μｍ层面的Ｘ －射线衍射图谱见图１和图２。图中衍射峰所对应的晶面间距（ｄ值）与粉末衍射标准联合委员会 （ＪＣＰＤＳ）公布的ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ａｌ、α－Ｆｅ（Ａｌ）固溶体及Ａｌ２Ｏ３的晶面间距 基本吻合。图１渗铝层表层的Ｘ－射线衍射图谱图２渗层深度为５０μｍ层面的Ｘ－射线衍射图谱 表３选区电子衍射试验结果（ｋ＝２６．１６４）为了进一步阐明渗铝层的相结构特征，采用电子 衍射和透射电镜分析。Ｆｅ－Ａｌ合金渗层硬度高韧性差，薄膜试样难制备，采取将试样磨薄到３ ０μｍ厚度再用电解双喷法减薄才获成功。Ｆｅ－Ａｌ合金渗层选区电子衍射的衍射花样为一系列 圆环，具有多晶衍射花样特征。根据相机常数ｋ＝Ｒｄ，晶面间距ｄｃ＝ｋ／Ｒ可求得，分析和计 算结果见表３，表中ｄｃ（计算）和ｄｓ（标准）基本吻合。分析表明，Ｆｅ－Ａｌ合金渗铝层由 不同比例的α－Ｆｅ（Ａｌ）固溶体、Ｆｅ３Ａｌ、ＦｅＡｌ和表面层少量Ａｌ２Ｏ３的混合相构 成（见表４）。随着渗铝层深度的增加，α－Ｆｅ（Ａｌ）固溶体所占的比例越来越多，ＦｅｓＡ ｌ和ＦｅＡｌ两相所占的比例越来越少。进一步分析表明，ＦｅＡｌ相不是Ｆｅ－Ａｌ合金渗层中 的主要成分，含铝更高的ＦｅＡｌ２（４９．１３％Ａｌ）、Ｆｅ２Ａｌ５（５４．７１％Ａｌ） 和ＦｅＡｌ３（５９．１８％Ａｌ）这些脆性相在ＧＬ渗铝钢管的渗铝层中根本不存在。这就消除 了由于这些脆性相而导致地渗铝钢焊缝性能恶化的问题，改善了渗铝钢管的承受变形能力和焊接性 能。表４渗铝层不同衍射层面的相组成２．３渗铝层承受变形能力对渗铝钢管进行拉伸和冷弯试验 以考查Ｆｅ－Ａｌ合金渗层承受拉伸和弯曲变形的能力，试验在万能拉伸试验机上进行。渗铝钢试 样内外壁保留原始渗铝层，弯曲角度为１０°～９０°。将经过弯曲变形的试样用３０％硝酸水溶 液擦蚀，然后在５～１０倍放大镜下观察。渗铝钢管表层的Ｆｅ－Ａｌ合金渗层弯曲到３０°未出 现任何裂纹。在包括焊接接头区域的渗铝钢管上截取拉伸变形试样，在平均应力为４００ＭＰａ， 伸长率为８％的情况下，用３０％硝酸水溶液在包括焊接区域在内的１５０ｍｍ范围内擦蚀渗铝钢 表面层，然后在５～１０倍放大镜下观察，仍未发现有裂纹。冷弯和拉伸试验结果表明，ＧＬ渗铝 钢管及其焊接热影响区（ＨＡＺ）渗铝层具有一定的承受变形能力，不易产生微裂纹，这对设备的 安装施工和焊接是有利的。碳钢管经感应料浆法渗铝后未降低其原有的强度性能且差异不大，焊缝 的强度性能容易满足。ＧＬ渗铝钢管渗铝前后及焊接接头的力学性能试验结果见表５。表５渗铝钢 管的力学性能３结论（１）感应料浆法（ＧＬ）渗铝钢管内外壁的渗铝层厚度分别为０．１５～０ ．２２ｍｍ和０．１４～０．２０ｍｍ，合金渗层外表层铝含量为２６．６％，渗铝层显微硬度由 表及里为４９０～３２０ＨＶ，渗层中的铝含量随着渗层深度的增加逐渐降低。（２）Ｘ－射线衍 射和选区电子衍射分析表明渗铝层由不同比例的ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ａｌ和α－Ｆｅ－（Ａｌ）固溶 体构成。渗铝层中不存在含铝较高的ＦｅＡｌ２、Ｆｅ２Ａｌ５和ＦｅＡｌ３等脆性相，消除了由 于这些脆性相而导致的渗铝层脆性和焊接性能恶化的问题。（３）由ＦｅＡｌ、Ｆｅ３Ａｌ和α－ Ｆｅ（Ａｌ）固溶体组成的合金渗铝层具有一定的承受变形能力，不易产生微裂纹，这对焊接性是 有利的。参考文献｜｜１ＯｋａｍｏｔｏＨ，ＰａｕｌＡＢ．Ｐｈａｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ ｐｓｉｎｔｈｅｉｒｏｎ－ｒｉｃｈＦｅ－Ａｌａｌｌｏｙｓ．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒ ａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９７１，２（２）：５６９～５７４２ＳｉｖａｋｕｍａｒＲ，ｅｔａ ｌ．Ｏｎｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐａｃｋ－ａｌｕｍｉｎｉｓａｔｉｏｎｐｒｏｃｅ ｓｓ．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９７６，７Ａ：１０７３～１ ０７９３ＬｉｎｎｅｒｔＧＥ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｗｅｌｄｉｎｇａｌｕｍｉｎｉｕｍ －ｃｏａｔｅｄｓｔｅｅｌ．ＷｅｌｄｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，１９ ６４，３７（９）：５０～５４４ＳａｅｇｕｓａＦ，ｅｔａｌ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｉｒｏ ｎ－ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅ５００～１０００℃．Ｃｏｒｒｏｓ ｉｏｎ，１９６６，２２（６）：１６８～１７７ＰＨＡＳＥＣＯＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮＳＩＮＴ ＨＥＡＬＬＯＹＬＡＹＥＲ，ＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＡＮＤＷＥＬＤＩＮＧＰＥＲＦＯＲＭＡＮ ＣＥＯＦＴＨＥＣＡＬＯＲＩＺＥＤＳＴＥＥＬＰＩＰＥ￥ＬｉＹａｊｉａｎｇ；ＷａｎｇＸｉａ ｎｌｉ；ＬｏｕＦｅｎｇｘｉａｏ（ＳｈａｎｄｏｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉ ｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｈａｓｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅＦｅ－Ａｌａｌｌ ｏｙｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｃａｌｏｒｉｚｅｄｓｔｅｅｌｐｉｐｅａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙｍｅａｎｓｏｆｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＥＭ，ＥＰＭＡ，ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉ ｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ ｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅａｌｌｏｙｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｃａｌｏｒｉｚｅ ｄｓｔｅｅｌｐｉｐｅｉｓｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆα－Ｆｅ（ＡＩ）ｓｏｌｉｄｓｏ ｌｕｔｉｏｎ，Ｆｅ３ＡｌａｎｄＦｅＡｌ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｎｏｔｈｉｇｈｅｒａｌｕｍｉｎ ｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔｐｈａｓｅｓ，ｓｕｃｈａｓｂｒｉｔｔｌｅＦｅＡｌ２，Ｆｅ２Ａｌ５ａ ｎｄＦｅＡｌ３，ｉｎｔｈｅＦｅ－Ａｌａｌｌｏｙｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｂｅａｒｉｎｇａｂｉｌ ｉｔｙｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｌｏｒ ｉｚｅｄｓｔｅｅｌｐｉｐｅａｒｅｒｅｍａｒｋａｂｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ：ＡｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｓｔｅｅｌＰｈａｓｅｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔＤｅｆｏｒｍａｔｉｏ ｎＷｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔ作者简介李亚江，男，１９５４年１２月出生，山东工业大学材料工 程系，副教授。１９８３年硕士学位研究生毕业，主要从事材料科学与工程、金属材料焊接方面的 教学和科研工作。在国际、国内专业刊物上发表研究论文３０余篇，并获得５项国家专利。GL渗 铝钢管合金渗层相组成、变形及焊接性能研究@李亚江，王先礼，楼凤笑$山东工业大学渗铝钢， 相组成，变形，焊接接头利用光镜、扫描电镜（ＳＥＭ）、电子探针（ＥＰＭＡ）、ｘ－射线衍射 和电子衍射等试验方法，对感应料浆法（ＧＬ）渗铝钢管Ｆｅ－Ａｌ合金渗层的相组成进行了研究。结果表明，ＧＬ渗铝钢管渗铝层主要由α－Ｆｅ（Ａｌ）固溶体、Ｆｅ３Ａｌ和ＦｅＡｌ构成。渗层中不存在含铝更高的ＦｅＡｌ２、Ｆｅ２Ａｌ５和ＦｅＡｌ３等脆性相，显著改善了渗铝钢的承受变形能力和焊接性能。１ＯｋａｍｏｔｏＨ，ＰａｕｌＡＢ．Ｐｈａｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓ
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