鋁在液態(tài)下對氫有很高的溶解度，有資料報道[7]，鋁合金中的氫含量可占85%以上。如在固態(tài)下為0.034ml/100g Al,在液態(tài)的溶解度為0.65ml/100g Al。二者相差了19.1倍。鋁中氫的主要來源于鋁液與水蒸汽的反應(yīng)，液態(tài)鋁中氣體分壓之比為：PH2/PH2O=7.3×1014，表明即使PH20很小，平衡的PH2也可達到很大。當鋁液溫度升到727℃時，在相當于
干燥空氣條件（PH2O=2.59×10-20Pa）鋁液也能跟水汽發(fā)生反應(yīng)。這說明,即或是相當干燥的環(huán)境或干燥容器的器壁對鋁液來說都是潮濕的，也還會使其吸氫。
Al2O3氧化物在焊接攪拌力的作用下，多以夾雜物的形式存在于焊縫中。研究表明：鋁液中的氧化物與氣體氫之間存在共生關(guān)系。鋁很容易被Al2O3氧化物和氣體氫污染，因此，兩者在鋁液中很難去除。
液相鋁表面上的氧化膜緊靠鋁液的一層是致密的，對鋁液具有保護作用。但靠外側(cè)的氧化膜則是疏松的，氧化膜內(nèi)存在Φ5-10 nm的小針孔，被氫、空氣、水汽所占踞。因此，
氧化鋁膜中通常至少含有1%-2%的水汽。這樣看來，Al2O3氧化物對焊接氣孔的形成起著重要作用。氫依附于氧化物生核主要是從熱力學方面考慮的，對于鋁處于高溫下的氧化物與氣體之間的行為及相互作用機制，必須從氧化物的特性和結(jié)構(gòu)出發(fā)進行分析。按氧化物的形態(tài)可分為3大類：
1）出現(xiàn)分布不均的大塊氧化物（>20μm），此類氧化物的危害性極大，但容易去除；
2）產(chǎn)生尺寸為10-20μm的氧化物；3）含有尺寸<10μm的氧化物。在這三類氧化物在焊接時，容易通過攪拌力混入熔池中，會使焊縫增加氣體和氧化物夾雜物。
(2)鋁與氧的反應(yīng)：4Al+3O2→2Al2O3。鋁合金在空氣中及焊接時極易氧化生成氧化鋁，其特點是熔點高，非常穩(wěn)定，能吸潮，不易去除。防礙對鈹?shù)臐櫇瘢稍阝敽缚p中生成氣孔。Al2O3為α、β兩種變體，密度比鋁高（3.9-4.0g/cm3），熔點高達2050。2）與水反應(yīng)：2Al＋6H2O→2Al（OH）3＋3H2↑，熔化的鋁與周圍的水汽反應(yīng)劇烈。
3.3 Al-12Si合金填充材料的性能、結(jié)構(gòu)及其吸氫特性
采用Al-12Si合金作填充材料焊接鈹，能夠有效地抑制鈹焊縫中的微裂紋，防止鈹焊接開裂。Al-Si合金與鈹?shù)娜埸c差很大，在焊接冷卻過程中，當液態(tài)鈹開始凝固形核結(jié)晶時，Al-Si合金還處于液態(tài)。液態(tài)的Al-Si合金去充填凝固鈹?shù)奈⒘鸭y，因此，Al-Si合金是鈹焊接中比較成功的填充材料。從20世紀60年代開始直到現(xiàn)在，不管焊接鈹?shù)姆椒ㄈ绾巫冞w，Al-Si合金一直是焊接鈹使用得比較多的一種填充材料。
Al-Si合金中的硅含量很高，增加了在液態(tài)的流動性，熱
收縮比鋁小，焊縫的
氣密性較好，熱裂的傾向性小。Al-Si合金經(jīng)過適當條件的
熱處理，有著優(yōu)良的物理性能、
力學性能和加工性能。與其它鋁合金相比，其抗
腐蝕性能也比較好。
在鈹?shù)暮附又校X與鈹、鈹與硅以及硅與鋁等三者之間都發(fā)生共晶反應(yīng)而沒有金屬間化合物生成。從核性能考慮,加填充材料Al-Si合金對核性能的影響較小，因為鋁為低密度材料，中子的吸收截面為0.22靶，加硅后并不影響Al-Si合金的整體核性能，因為硅的熱中子吸收截面比鋁還要小，只有0.13靶。因此，Al-Si合金是被公認的焊接鈹?shù)妮^好的填充材料。
Si屬于面心立方晶格，盡管屬于小
平面相，但其{111}密排面的Jackson因子數(shù)并不高。Si晶體的{111}面為光滑界面，{100}和{111}兩個面為粗糙界面。在Al-Si合金中，隨著硅不同，其凝固條件和成分所表現(xiàn)出的生長行為存在著差別。對未經(jīng)變質(zhì)處理的Al-Si合金，共晶Si呈粗大的板條狀，Si晶體存在少量孿晶。片狀共晶Si擁有兩種分枝類型：1）與孿晶行為有關(guān)的大角度分枝行為，與{111}密排面成70.5º夾角；2）由于Si相和Al相的
熱膨脹系數(shù)不同，這些行為也導(dǎo)致小角度分枝、分裂以及兩者的并行行為的存在。
在20世紀80年代初，根據(jù)界面動力學觀點，提出了小面-非小面轉(zhuǎn)變學說。該學說認為，隨著生長速度的增加，Si存在小面生長向非小面生長轉(zhuǎn)變。Si相貌及尺寸的變化與凝固過程中的共晶過冷度密切相關(guān)。在過冷度較小的情況下，Si相以小面化的側(cè)面生長方式生長；當過冷度增加時，Si則以非小面的均勻（uniform growth）方式生長。對Al-Si合金進行變質(zhì)處理可以使Si的形貌和尺寸改變，如在Al-Si合金中加入Na、Sr、Re等元素[8，9]，合金中的共晶溫度（冷卻曲線中的共晶平臺）比未變質(zhì)的要低許多，使共晶過冷度增大，共晶Si由粗大的板條狀（或針狀）轉(zhuǎn)變成細小的
纖維狀，即共晶Si的生長方式發(fā)生了改變。
但是，鈹焊接用的Al-Si合金要求較高，不希望有象Na、Sr、Re等這樣的元素存在，因為它們的存在可能會在焊縫中形成新的腐蝕源，對焊接
構(gòu)件的使用會帶來不利影響。因此，必須采用其它方法來改善焊接鈹?shù)奶畛洳牧螦l-Si合金中共晶Si形貌和尺寸。硅與O2的反應(yīng)會產(chǎn)生兩種結(jié)構(gòu)不同的硅的氧化物：
1） 2Si+O2→2SiO；2） 2Si+ O2→2SiO2。SiO的顏色為黑色或棕黑色，這一情況在Al-Si合金的處理中也已經(jīng)遇到過。Si和O2的反應(yīng)在400。C以上進行。Al-Si合金中的鋁與水反應(yīng)：2Al＋6H2O→2Al（OH）3＋3H2↑，熔化的鋁與周圍的水汽反應(yīng)劇烈，其中的Si與水作用生成SiO2和H2↑。在高溫下，Si也會與水蒸氣作用產(chǎn)生H2↑。
Al-Si合金的宏微觀組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、雜質(zhì)含量、合金的均勻化程度以及表觀質(zhì)量對焊接接頭的力學性能、耐蝕性能、使用性能以及表面質(zhì)量等都會產(chǎn)生重要影響。Al-Si合金是一種典型的共晶型合金。其共晶成分為Al+12.5%Si（質(zhì)量分數(shù)，%），共晶溫度為577℃。在此溫度下，合金液體交替結(jié)晶析出α-Al和第二相β-Si，Al與Si形成共晶體。α-Al是硅在鋁中的
固溶體，β-Si是鋁在硅中的
固溶體，β-Si相的量少、而且性脆；α-Al相的含量高、但非常軟韌。經(jīng)過共晶轉(zhuǎn)變形成的α相和β相，是一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)。由Al-Si合金二元合金相圖可知，在共晶溫度下平衡條件結(jié)晶時，Si在鋁中的溶解度為1.65%，冷至室溫時則降為0.05%，而鋁在β-Si中的溶解度極低。在非平衡條件下凝固結(jié)晶形成過飽和固溶體，這時Si的含量可達到3%左右。實際上對Al-Si合金可以這樣理解：鑄態(tài)Al-Si合金的組織在室溫下就是
金屬鋁（α相）與
單晶硅（β相）通過
熔煉所構(gòu)成的混合物。
鈹在非真空條件下的激光焊接，加Al-S¡合金填充材料在焊縫中出現(xiàn)的主要缺陷是焊接氣孔和
縮孔。人們早已知道，純鋁在焊接或鑄造時的加熱過程中會吸收環(huán)境中的氫，冷卻時熔體要釋放氫, 形成以氫為特征的氫氣孔，從而影響
鋁加工的質(zhì)量。這表明鋁及
鋁合金焊接形成的氣孔主要是與氫含量有關(guān)。
文獻[10]報道，Si能降低氫在鋁熔體中的溶解度，對鋁熔體的吸氫能力起到抑制作用。孟慶格、邊秀房等人對自制的Al-Si合金熔體的氫含量進行了測量和分析。測量時的環(huán)境
相對濕度為55%左右（山東地區(qū)），他們共測量了三種不同溫度的Al-Si合金熔體中的氫含量：
（1）測量了Al-Si合金液態(tài)的氫含量；（2）測量了過熱10°C時的Al-Si合金熔體的氫含量；
（3）測量了過熱100°C時Al-Si合金熔體中的氫含量。結(jié)果表明，三種溫度范圍的Al-Si合金熔體中的氫含量的曲線具有與液相線變化相類似的關(guān)系。并對亞共晶區(qū)、共晶區(qū)和過共晶區(qū)的氣孔率進行了金相分析與觀察，也得出了類似的結(jié)果：即在共晶點附近，氣孔率最小；在亞共晶區(qū)和過共晶區(qū)氣孔率都相應(yīng)地增加。
氫在Al-Si合金熔體中以三種方式存在，即原子氫、分之氫和化合物狀態(tài)的氫。由于材料熔體中含有夾雜元素但其含量相當少，故試樣中以化合物形態(tài)存在的氫相當少，可以忽略。氫主要以間隙固溶體的形式存在于Al合金中。孟慶格、邊秀房等人對Al-Si合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)進行了X射線衍射分析，從中獲取了Al-Si合金熔體中Si含量與氫含量之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析得出2點結(jié)論：
（1）鋁合金熔體中氫含量的多少或氣孔的生成率與Al-Si合金在不同過熱條件下的原子密度有關(guān)。隨著Si含量的增加，原子密度逐漸增加，在共晶區(qū)附近達到最大值。此后，隨著Si含量的增加，原子密度又逐漸減少。原子密度越大，氫含量越小，當溫度升高，原子密度則會減少，從而導(dǎo)致氫含量增加，但當溫度高于875°C，原子密度降低的速率卻變慢了。
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