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Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能

高恺 刘桂奇 李坤 朱刘博 顾红历

高恺, 刘桂奇, 李坤, 朱刘博, 顾红历. Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
引用本文: 高恺, 刘桂奇, 李坤, 朱刘博, 顾红历. Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
Kai GAO, Guiqi LIU, Kun LI, Liubo ZHU, Hongli GU. Microstructure and mechanical performance of induction-pressure welding joints interface between Q235 steel and 5052 aluminium alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
Citation: Kai GAO, Guiqi LIU, Kun LI, Liubo ZHU, Hongli GU. Microstructure and mechanical performance of induction-pressure welding joints interface between Q235 steel and 5052 aluminium alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001

Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能

doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51905390)
详细信息
    作者简介:

    高恺,博士,硕士研究生导师;主要研究方向汽车轻量化与智能制造技术; Email: gaokai@wust.edu.cn

  • 中图分类号: TG 456.9

Microstructure and mechanical performance of induction-pressure welding joints interface between Q235 steel and 5052 aluminium alloy

  • 摘要: 为了有效实现车身上的钢/铝复合结构连接,提出了一种新型的焊接与连接技术−感应-静压焊(induction-pressure welding,IPW). 通过光学显微镜、电子扫描显微镜对钢/铝合金连接界面的组织形貌进行观察,通过X射线色散能谱仪、X射线衍射仪及显微硬度计测试了钢/铝连接界面的化学成分、金属间化合物种类以及显微硬度. 结果表明,采用感应-静压焊工艺可以实现Q235钢与5052铝合金的有效连接. 接头界面上1、2号试样的金属间化合物平均厚度分别为115,85 μm. 接头界面的微观组织形貌呈锯齿状,并且组织向钢侧生长. 接头界面组织的硬度明显高于两侧钢铝基体组织的硬度,1,2号试样接头的抗拉强度分别为49,158 MPa. 同时,在整个感应-静压焊工艺过程中,随着加热温度的降低,金属间化合物厚度呈线性减少. 此外,还发现铝原子的扩散能力显著高于铁原子. 故而,在钢/铝感应-静压焊接头界面生成了富铝的金属间化合物Fe2Al5和FeAl2.
  • 图  2  感应-静压焊工艺试验系统原理

    Figure  2.  Schematic diagram of experimental system for IPW process

    图  1  基体材料的初始微观组织形貌

    Figure  1.  Initial microstructures before IPW process. (a) 5052 aluminum alloy; (b) Q235 steel

    图  3  感应-静压焊工艺的取样示意图(mm)

    Figure  3.  Detailed parameters during IPW process

    图  4  感应-静压焊接后钢/铝界面连接形貌

    Figure  4.  Interface morphology of steel/aluminum after IPW process. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3

    图  5  钢/铝感应-静压焊接头界面的扫描电镜照片

    Figure  5.  Scanning electron microscope images of the two samples on interface between steel and aluminum alloy after IPW process. (a) No.1; (b) No.2; (c) shrinkage cavity in No.1

    图  6  感应-静压焊接接头的能谱仪测试点分布

    Figure  6.  Energy dispersive spectrum point distribution of IPW welded joints. (a) No.1; (b) No.2

    图  7  感应-静压焊接头的能谱仪点扫描结果

    Figure  7.  Energy dispersive spectrum point scanning results of IPW welded joints. (a) No.1; (b) No.2

    图  8  钢铝感应-静压焊接接头的EDS线扫描结果

    Figure  8.  Energy dispersive spectrum line scanning of IPW welded joints. (a) scanning position of No.1;(b) scanning position of No.2;(c) scanning result of No.1;(d) scanning result of No.2

    图  9  焊接试样的X射线衍射图谱

    Figure  9.  X-ray diffraction pattern of welding samples after IPW process. (a) steel; (b) aluminum alloy ; (c) No.1; (d) No.2

    图  10  感应-静压焊界面的硬度分布

    Figure  10.  Interface hardness distribution after IPW process. (a) test path of No.1; (b) hardness distribution of No.1; (c) test path of No.2; (d) hardness distribution of No.2

    图  11  接头的应力-应变曲线

    Figure  11.  Stress-strain curve of the joint

    图  12  接头的温度-金属化合物厚度曲线

    Figure  12.  Temperature-metal compound thickness curve of the join

    表  1  基体材料主要化学成分(质量分数,%)

    Table  1.   Chemical compositions of Q235 steel and 5052 aluminum alloy

    材料MgCrCuMnTiSiZnCAlFe
    Q235 0.70 0.10 0.44 0.16 0.10 0.10 余量
    5052 2.22 0.22 0.01 0.01 0.03 0.08 0.01 余量 0.20
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    表  2  感应-静压焊过程的具体工艺参数

    Table  2.   Detailed parameters during IPW process

    电源功率
    P/kW
    频率
    f/kHz
    空气间隙
    G/mm
    加热时间
    t/mm
    静压力
    F/N
    503044200
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-09
  • 网络出版日期:  2022-01-17
  • 刊出日期:  2021-11-25

Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能

doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51905390)
    作者简介:

    高恺,博士,硕士研究生导师;主要研究方向汽车轻量化与智能制造技术; Email: gaokai@wust.edu.cn

  • 中图分类号: TG 456.9

摘要: 为了有效实现车身上的钢/铝复合结构连接,提出了一种新型的焊接与连接技术−感应-静压焊(induction-pressure welding,IPW). 通过光学显微镜、电子扫描显微镜对钢/铝合金连接界面的组织形貌进行观察,通过X射线色散能谱仪、X射线衍射仪及显微硬度计测试了钢/铝连接界面的化学成分、金属间化合物种类以及显微硬度. 结果表明,采用感应-静压焊工艺可以实现Q235钢与5052铝合金的有效连接. 接头界面上1、2号试样的金属间化合物平均厚度分别为115,85 μm. 接头界面的微观组织形貌呈锯齿状,并且组织向钢侧生长. 接头界面组织的硬度明显高于两侧钢铝基体组织的硬度,1,2号试样接头的抗拉强度分别为49,158 MPa. 同时,在整个感应-静压焊工艺过程中,随着加热温度的降低,金属间化合物厚度呈线性减少. 此外,还发现铝原子的扩散能力显著高于铁原子. 故而,在钢/铝感应-静压焊接头界面生成了富铝的金属间化合物Fe2Al5和FeAl2.

English Abstract

高恺, 刘桂奇, 李坤, 朱刘博, 顾红历. Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
引用本文: 高恺, 刘桂奇, 李坤, 朱刘博, 顾红历. Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能[J]. 焊接学报, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
Kai GAO, Guiqi LIU, Kun LI, Liubo ZHU, Hongli GU. Microstructure and mechanical performance of induction-pressure welding joints interface between Q235 steel and 5052 aluminium alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
Citation: Kai GAO, Guiqi LIU, Kun LI, Liubo ZHU, Hongli GU. Microstructure and mechanical performance of induction-pressure welding joints interface between Q235 steel and 5052 aluminium alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2021, 42(11): 35-42. doi: 10.12073/j.hjxb.20210509001
    • 汽车轻量化是实现传统汽车节能减排和提高新能源汽车续航里程的重要途经. 为了实现汽车轻量化,采用铝合金和其它轻金属代替传统的全钢车身,继而实现高强度、低密度的车身结构[1]. 然而,实现钢/铝复合车身结构就需要先进的异种金属焊接与连接技术. 近年来,国内外诸多学者研究主要异种金属焊接与连接工艺有搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)[2]、电阻点焊(resistance spot welding,RSW)[3]、冷金属过渡焊[4]和激光焊[5].

      车身上的钢/铝连接部分(如车门)具有厚度薄、形状复杂等特点. 在现有的异种金属焊接与连接技术中,熔化惰性气体保护焊的热输入量较大,焊接的钢/铝车身结构件可能导致过渡变形[6]. 在冷金属过渡焊过程中,界面易产生金属间化合物,并且其厚度随着热输入的增加而急剧增加[7]. 激光焊接对工作环境要求高,焊接设备购买价格昂贵与维修成本高[8]. 上述焊接与连接方法都难以实现钢/铝复合车身结构的高效连接. 因此,提出一种新型焊接技术−感应-静压焊. 这种感应-静压焊方法分为两个过程:一是通过控制多轴联动数控机床将感应器放置在工件中心的正上方,通电使工件表面产生涡流[9];二是夹具在工件周围对其施加压力. 在钢/铝感应-静压焊工艺下,车身上的钢与铝在高温和压力的作用下实现有效连接.

      国内外诸多学者对异种金属的连接方法展开了深入地研究,研究[10-14]主要集中在焊接工艺特性、界面组织和接头力学性能等方面. Li等人[15]研究了激光功率对钢/铝异种金属激光对接钎焊接头的组织与力学性能的影响,阐明了不同激光功率下的界面反应机理以及界面金属间化合物组分与抗拉强度的关系. Chen等人[16]研究了激光和冷金属过渡双热源对钢与铝合金进行焊接的工艺机理. 结果表明,接头界面层主要生成了Fe2Al5 和 Fe4Al13等金属间化合物,接头的最大抗拉强度为80 MPa. Zhou等人[17]研究了第一循环的冷金属过渡焊过程中镀锌钢板与铝合金的焊接润湿性. 结果表明,镀锌层对整个过程的润湿性有着重要影响. Pouran-vari等人[18]用钨极氩弧焊制备了钢/铝钎焊接头. 结果表明,钎料中的Si元素对界面层的金属间化合物生长有抑制作用. Zienert等人[19]研究了钢与铝金属间化合物由室温至各自熔点的热容,为金属间化合物的热动力学研究提供基础. Cao等人[20]探索了减少热影响区域性能退化和金属间化合物厚度的焊接方法. 结果表明,采用冷金属过渡焊将铝合金与镀锌低碳钢板连接是可行的. Xia等人[21]研究了Si元素对钢/铝对接激光钎焊接头界面反应层的影响. 结果表明,Si元素可以提高钢/铝焊接强度,同时减少焊接所需的功率,实现节能. Tricarico等人[22]主要研究了热处理后的焊接接头力学性能,结果表明,金属间化合物的断后伸长率主要受热处理温度的影响,并且断后伸长率随着热处理温度的升高而提高. Huang等人[23]设计了一种搅拌摩擦焊带周向切口的大销头,结果表明,这种销头可以消除搅拌摩擦焊接头的钩形缺陷,局部出现Si元素富集抑制了金属间化合物的生长. 然而,暂未发现关于钢/铝感应-静压焊的相关研究.

      为了明确感应-静压焊接工艺的可行性和焊接接头的可靠性,采用感应-静压焊接方法对Q235钢与5052铝合金板进行连接试验,获取感应-静压焊接工艺对Q235钢与5052铝合金界面微观组织和力学性能的影响规律. 同时,该研究工作可为感应-静压焊提供一定的理论基础和实践经验,并对开发钢/铝异种金属连接新技术具有一定的指导意义.

    • 试验使用的基体材料为Q235钢板和5052铝合金板,尺寸为80 mm × 80 mm × 1.8 mm. 两种基体材料的化学成分如表1所示,其初始微观组织形貌如图1所示. 其中图1a为5052铝合金组织形貌,主要为Al与Mg,Cr形成的固溶相和弥散相;图1b为Q235钢组织形貌,为铁素体相.

      表 1  基体材料主要化学成分(质量分数,%)

      Table 1.  Chemical compositions of Q235 steel and 5052 aluminum alloy

      材料MgCrCuMnTiSiZnCAlFe
      Q235 0.70 0.10 0.44 0.16 0.10 0.10 余量
      5052 2.22 0.22 0.01 0.01 0.03 0.08 0.01 余量 0.20

      图2为感应-静压焊工艺试验系统原理. 试验系统由高频感应加热电源、多轴联动数控机床、次级变压器、感应器和静压力装置. 电磁感应器由双匝线圈和导磁体组成,线圈和导磁体的材料分别是紫铜和铁氧体,方形线圈的截面尺寸为10 mm × 10 mm. 整体感应-静压焊工艺是通过以下两个步骤来实现.第一步是将钢和铝合金从上至下依次放入压力装置中,然后通过压力螺栓给钢板施加静压力;第二步是通过控制多轴联动数控机床把感应器调整到钢板的正上方,电磁感应器与钢板的空气间隙保持不变,然后让电磁感应器通电,使得钢的表层产生涡流. 最后,在压力与热量的共同作用下将钢与铝合金连接. 具体的感应-静压焊工艺参数如表2所示.

      表 2  感应-静压焊过程的具体工艺参数

      Table 2.  Detailed parameters during IPW process

      电源功率
      P/kW
      频率
      f/kHz
      空气间隙
      G/mm
      加热时间
      t/mm
      静压力
      F/N
      503044200

      图  2  感应-静压焊工艺试验系统原理

      Figure 2.  Schematic diagram of experimental system for IPW process

      将采用感应-静压焊工艺的试样焊接区域分成3个试样,分别命名为1号、2号、3号. 感应-静压焊头的取样区域示意图如图3所示. 从3号试样到1号试样温度逐渐升高,而压力则由3号试样至1号试样逐渐下降. 采用砂纸和抛光机对3个试样进行抛光,用4%的硝酸溶液对其进行腐蚀. 通过AxioCam MRc5型光学显微镜 (optical microsco-pe, OM) 和Nova NanSE400型电子扫描显微镜 (scan-ning electron microscope, SEM)对钢-铝连接界面的微观组织形貌进行观察,采用此型号SEM自带的X射线色散能谱仪(energy disperse spectroscopy, EDS)方法测量钢-铝连接界面上各区域的金属间化合物的化学成分,采用Xpert PRO MPD型的X射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD)分析各区域金属间化合物的种类. 使用华银HV-1000A型微观硬度计来测量界面各区域的硬度. 其中负载为0.2 N,各个测点相距0.5 mm,保压时间为15 s.

      图  1  基体材料的初始微观组织形貌

      Figure 1.  Initial microstructures before IPW process. (a) 5052 aluminum alloy; (b) Q235 steel

      图  3  感应-静压焊工艺的取样示意图(mm)

      Figure 3.  Detailed parameters during IPW process

    • 图4为感应-静压焊后钢/铝界面连接形貌. 从图4a图4b可以看出,1号试样和2号试样成功连接,焊接区域成形良好. 试样整个区域可以分为3个区域:钢基体区域、铝合金基体区域和界面区域. 界面区域的组织形貌呈锯齿状,且向钢基体区域生长. 这是因为铝合金的熔点要低于钢的熔点,铝原子更容易在钢基体中扩散. 从图4c可以看出,3号试样未实现连接,钢/铝界面处存在明显的界面和间隙. 通过1号试样和2号试样对比,发现1号试样的锯齿状组织形成的结构的厚度要远大于2号的厚度. 这是由于1号试样的温度高于2号试样. 因为3号试样中的钢-铝合金未实现连接,故而在接下来的分析中不再讨论3号试样.

      图  4  感应-静压焊接后钢/铝界面连接形貌

      Figure 4.  Interface morphology of steel/aluminum after IPW process. (a) No.1; (b) No.2; (c) No.3

      图5为钢/铝感应-静压焊接头的两个试样电镜扫描图. 比较图5a图5b可以看出,相比于2号试样而言,1号试样的界面区域微观组织更加致密、均匀性好. 这是因为1号试样的热输入量较高,导致元素扩散剧烈. 值得注意是,虽然1号试样的锯齿状组织的厚度大于2号试样的厚度,但是1号试样出现了缩孔,如图5c所示. 从图5c可以看出,1号试样的缩孔出现界面的靠近铝合金侧,该缺陷可能是由于1号试样的热输入过大,导致铝合金出现熔穿. 为降低接头脆性,同时提高加热效率,在后续研究中需要采取减少加热时长等工艺措施来加以控制.

      图  5  钢/铝感应-静压焊接头界面的扫描电镜照片

      Figure 5.  Scanning electron microscope images of the two samples on interface between steel and aluminum alloy after IPW process. (a) No.1; (b) No.2; (c) shrinkage cavity in No.1

    • 为了获得感应-静压焊过程中产生的金属间化合物类型以及铁、铝原子的扩散能力,对1号、2号试样的进行X射线色散能谱仪分析. 图6图7为钢/铝感应-静压焊后界面的能谱仪测试点分布和EDS分析结果. 从图6a图7a可以发现,由B点、C点的化学成分表明1号试样在感应-静压焊过程中产生了Fe2Al5等富铝金属间化合物的形成,主要分布在靠近钢基体区域一侧的界面处. 这是因为铝原子在热和压力的共同作用下快速扩散到钢基体一侧,与铁原子结合形成了富铝的金属间化合物. 从A点和D点的化学组分看,这两个点分别位于铝基体区域和钢基体区. 从图6b图7b可以看出,2号试样上的F,G两点的化学成分为FeAl2富铝金属间化合物. 由E,H两点的化学组分可以表明,两点分别位于2号试样的钢基体区域和铝基体区域. 从1号和2号试样的金属间化合物类型对比可以看出,在感应-静压焊过程中温度越高,金属间化合物的铝含量就越高.

      图  6  感应-静压焊接接头的能谱仪测试点分布

      Figure 6.  Energy dispersive spectrum point distribution of IPW welded joints. (a) No.1; (b) No.2

      图8为钢/铝感应-静压焊界面EDS线扫描结果. 从图8c可以看出,1号试样的Fe元素强度在钢基体中保持不变,直到离开界面后Fe元素强度出现明显下降. 1号试样的Al元素强度在钢基体区域保持基本恒定,直到离开界面后Al元素强度开始出现明显的增加. 根据图8c中Fe,Al元素强度的演化,测出1号试样的金属间化合物平均厚度约为115 μm.从图8c图8d可以看出,2号试样的Fe,Al元素强度变化趋势与1号试样相似. 不同的是,从图8d可以看出,2号试样的Fe元素强度在整个过程都保持恒定,且高于1号试样. 说明1号试样铝合金基体中的Fe元素从铝合金基体向钢基体扩散明显. 在界面区域,2号试样Al元素强度高于1号试样. 但是在铝基体中,2号试样的Al元素强度低于1号试样. 然而,在铝基体中,2号试样Al元素强度的均匀性好于1号试样的. 根据图8d中,Fe,Al元素的强度变化趋势,2号试样的金属间化合物平均厚度约为85 μm. 由图7图8的结果表明,Al原子在感应-静压焊工艺过程中的扩散速率高于Fe原子的扩散速率.

      图  7  感应-静压焊接头的能谱仪点扫描结果

      Figure 7.  Energy dispersive spectrum point scanning results of IPW welded joints. (a) No.1; (b) No.2

      图  8  钢铝感应-静压焊接接头的EDS线扫描结果

      Figure 8.  Energy dispersive spectrum line scanning of IPW welded joints. (a) scanning position of No.1;(b) scanning position of No.2;(c) scanning result of No.1;(d) scanning result of No.2

      为了验证EDS扫描结果所得到的金属间化合物的类型,使用X射线衍射仪对钢/铝连接界面的相结构进行测试. 图9为感应-静压焊工艺后焊接试样的X射线衍射图. 从图9c可以看出,对于1号试样的界面相测定结果为Fe2Al5. 从图9d可以看出,2号试样的界面生成金属间化合物相为FeAl2. 显然,X射线衍射分析结果与X射线色散能谱仪的结果是一致的.

      图  9  焊接试样的X射线衍射图谱

      Figure 9.  X-ray diffraction pattern of welding samples after IPW process. (a) steel; (b) aluminum alloy ; (c) No.1; (d) No.2

    • 图10为感应-静压焊后试样的界面硬度分布. 硬度测试点沿着AB和CD线测试,如图10a图10c所示. 由图10b图10d可以看出,在整个过程中,1号和2号试样的硬度曲线变化趋势是相似的,界面的硬度要高于钢、铝合金基体的硬度. 这是因为在钢/铝连接界面产生了高硬度的金属间化合物. 从图10b图10d可以看出,1号试样界面的平均硬度高于2号试样界面的平均硬度. 1号试样界面硬度在400 ~ 600 HV范围内,2号试样界面的硬度则在200 ~ 350 HV范围. 这说明1号试样温度较高,产生了硬度和脆性较高的金属间化合物. 由于2号界面的金属间化合物的硬度较低,其金属间化合物的厚度较薄些. 因此,2号试样的力学性能优于1号试样的力学性能.

      图  10  感应-静压焊界面的硬度分布

      Figure 10.  Interface hardness distribution after IPW process. (a) test path of No.1; (b) hardness distribution of No.1; (c) test path of No.2; (d) hardness distribution of No.2

    • 图11为接头拉伸试验的应力-应变曲线. 从图11可以看出,1号和2号应力-应变曲线基本趋势相同,两者OA弹性阶段曲线相同,但是2号的弹性模量大于1号的弹性模量;AD阶段为屈服阶段,2号的塑性变化明显;DB阶段为均匀塑性变形,1号的抗拉强度为49 MPa,2号的抗拉强度为158 MPa;BE阶段为不均匀集中塑性变形和断裂阶段,1,2号试样都发生颈缩和断裂. 经拉伸试验结果对比,2号试样整体力学性能优于1号试样.

      图  11  接头的应力-应变曲线

      Figure 11.  Stress-strain curve of the joint

    • 将1号、2号试样上取11点,其中,2号试样上点编号1至6,测得最高温度为1 035,1 057,1 083,1 114,1 151,1 192 ℃;1号试样上点编号为7至11,测得最高温度为1 235,1 276,1 308,1 328,1 334 ℃. 图12为最高温度与金属间化合物厚度之间的关系曲线,从图12可以看出,金属间化合物厚度与最高温度基本呈线性关系,金属间化合物随着最高温度的增加而增加,但是并不是完全线性增长,其原因是在界面些许杂质的生成吸收了一小部分热输入量而导致局部厚度有所减少. 由此,金属间化合物的生长与温度呈正相关关系. 抑制金属化合物的生长主要途径之一就是控制其最高温度及加热时间.

      图  12  接头的温度-金属化合物厚度曲线

      Figure 12.  Temperature-metal compound thickness curve of the join

    • (1)采用感应-静压焊工艺能够成功实现Q235钢材与铝合金5052的连接, 1号试样和2号试样的抗拉强度分别为49和158 MPa;1号试样界面硬度为400 ~ 600 HV,2号试样界面的硬度为200 ~ 350 HV.

      (2)在感应-静压焊工艺中,钢/铝界面微观组织形貌为锯齿状,并且齿尖指向钢基体区域. 1号试样和2号试样的金属间化合物平均厚度分别为115,85 μm,且金属间化合物的厚度随着最高温度的增加而增加.

      (3)在感应-静压焊工艺中,Al原子的扩散速率高于Fe原子的扩散速率. 因此,钢与铝合金界面上出现富铝金属间化合物Fe2Al5和FeAl2.

      (4)在感应-静压焊工艺中,接头金属化合物总体较厚,且1号试样界面处出现了缩孔,说明热输入过大.

参考文献 (23)

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