微量鈧對Al-Zn-Mg-Zr熱軋板攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響

陳繼強(qiáng)，尹志民，何振波,(. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 40083；. 東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 50060)

微量鈧對Al-Zn-Mg-Zr熱軋板攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響

陳繼強(qiáng)1，尹志民1，何振波1,2(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060)

采用硬度測試、室溫拉伸性能測試、金相顯微和透射電鏡研究微量鈧對 Al-Zn-Mg-Zr熱軋板攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響。結(jié)果表明：微量鈧使Al-Zn-Mg-Zr合金母材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高22 MPa和42 MPa，使焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高19 MPa和33 MPa；焊核處硬度的提高來源于攪拌摩擦引起的細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及第二相的彌散強(qiáng)化，熱影響區(qū)硬度的降低則是由于焊接熱循環(huán)引起的析出相的粗化；微量鈧使Al-Zn-Mg-Zr合金母材及焊接接頭強(qiáng)度的提高的主要原因是細(xì)晶強(qiáng)化和Al3(Sc,Zr)粒子的析出強(qiáng)化。

微量鈧；攪拌摩擦焊；顯微組織；性能

與傳統(tǒng)的熔化極焊接方法相比，攪拌摩擦焊焊接接頭具有晶粒細(xì)小，疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好，無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時不需使用保護(hù)氣體，焊接后殘余應(yīng)力和變形小等優(yōu)點(diǎn)[1?4]，是一種有前景的焊接方法[5]。在鋁合金中添加微量鈧能顯著提高鋁合金的綜合性能[6]，特別是將鈧與其他過渡金屬元素(如Zr和Ti)復(fù)合添加時，效果更佳。Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金是一種新型高強(qiáng)耐蝕可焊輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料[7?10]。目前，關(guān)于Al-Zn-Mg合金攪拌摩擦焊接頭組織性能已經(jīng)有了一些報道[11?12]，但是關(guān)于微量鈧對這種合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響還鮮有報道。本文作者分別對 Al-Zn-Mg-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr 2種合金熱軋板進(jìn)行攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，然后對兩種焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行對比研究。在此基礎(chǔ)上，從微觀組織角度研究微量Sc對Al-Zn-Mg-Zr熱軋板攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響，旨在為鋁鋅鎂合金攪拌摩擦焊接的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

焊接試驗(yàn)所用的母材為 6 mm 厚的Al-Zn-Mg-Zr(合金 1)與 Al-Zn-Mg-Sc-Zr(合金 2)熱軋板，2種合金的化學(xué)成分如表1所列。

表1 Al-Zn-Mg-Zr和Al-Zn-Mg-Sc-Zr的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of Al-Zn-Mg-Zr and Al-Zn-Mg-Sc-Zr (mass fraction, %)

攪拌摩擦焊在中國攪拌摩擦焊中心(北京賽福斯特技術(shù)有限公司)進(jìn)行，選用螺旋形攪拌針，攪拌針直徑與母材等厚，單面焊，焊速為500~800 mm/min。在焊接好的板材上沿垂直焊縫方向截取拉伸試樣，采用Instron8019電子拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試以確定焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)。沿焊接接頭垂直焊道方向進(jìn)行硬度測試，觀察焊接接頭不同部位硬度的變化。用光學(xué)顯微鏡(POLTAR-MET)對焊接接頭各區(qū)域組織進(jìn)行金相觀察。在焊接接頭不同區(qū)域取樣，機(jī)械減薄至0.12 mm 后，在 V(HNO3)∶V(CH3OH)=1∶2 溶液中于?20 ℃下雙噴電解減薄，薄膜樣品電鏡觀察在 TecnaiG220 ST型透射電鏡上進(jìn)行，電壓為200 kV。

2 結(jié)果

2.1 焊接接頭的力學(xué)性能

2.1.1 焊接接頭的硬度分布

2種合金焊接接頭上沿焊縫中心不同距離處的顯微硬度分布如圖1所示。由圖1可看出，2種合金焊接接頭沿焊縫橫截面顯微硬度分布是一致的，即以焊縫中心為軸成近似對稱分布，焊縫中心焊核處的硬度最高，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，硬度逐漸下降，在離焊縫中心12 mm左右，熱影響區(qū)的硬度達(dá)到最低值，然后硬度慢慢回升直到達(dá)到母材的硬度。比較2種合金的顯微硬度可以知道，合金2的焊接接頭各個區(qū)域的硬度均要比合金1的相應(yīng)區(qū)域的高。

2.1.2 焊接接頭的拉伸性能

圖1 合金焊接接頭顯微硬度分布Fig.1 Brinell hardness distribution of friction stir welding joint of alloys

表2 攪拌摩擦焊條件下兩種合金的拉伸力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of friction stir welded joint of two alloys

2種合金板焊接接頭的拉伸力學(xué)性能如表2所列。由表2可看出，微量鈧使Al-Zn-Mg-Zr合金母材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了22 MPa和42 MPa，2種合金的焊接強(qiáng)度系數(shù)均達(dá)到0.9，且拉伸試樣均斷在熱影響區(qū)，微量鈧使Al-Zn-Mg-Zr合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高19 MPa和33 MPa。

2.2 合金焊接接頭不同部位的微觀組織

2.2.1 金相組織

Al-Zn-Mg-Zr合金與Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)(WCZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)的金相顯微組織如圖2所示。由圖2可以看出，2種合金的焊核區(qū)均為細(xì)小的等軸晶(見圖2(a)和(d))；熱機(jī)影響區(qū)與焊核區(qū)的交界非常明顯，熱機(jī)影響區(qū)的晶粒仍然保持著纖維狀組織，但是發(fā)生明顯的扭曲變形；熱影響區(qū)仍然保持母材的纖維狀組織，只是晶粒略有長大。不同的是，添加微量鈧的合金2的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材的晶粒明顯比合金1的相應(yīng)區(qū)域的晶粒細(xì)小。

2.2.2 透射電子顯微組織

Al-Zn-Mg-Zr合金與Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金的攪拌摩擦焊接頭母材、焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)的TEM像如圖3~6所示。從圖3可以看出，在2種合金母材晶內(nèi)均存在著針狀的第二相，電子衍射表明這種針狀第二相為MgZn2平衡相，在合金2的母材晶內(nèi)還可以看到大量的彌散分布的馬蹄狀粒子。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]可知，此粒子為Al3(Sc,Zr)粒子。從圖4可看出，2種合金焊核區(qū)晶內(nèi)均存在著彌散分布的圓球狀顆粒，而且在添加微量鈧的合金2的焊核區(qū)中彌散分布的球形粒子密度比合金1的焊核區(qū)的高。圖5和6所示為2種合金熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的TEM像。從圖5可以看出，與焊核區(qū)不同，在2種合金的熱機(jī)影響區(qū)晶內(nèi)均存在短棒狀析出相。由圖6可看出，在2種合金的熱影響區(qū)晶內(nèi)都存在著針狀第二相，但是與母材相比，第二相明顯粗化。與此同時，在合金2的熱影響區(qū)內(nèi)仍然可以觀察到母材中存在的彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子(見圖 6(c))。

圖3 合金母材的TEM像Fig.3 TEM images of base alloys: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2

圖4 合金焊核區(qū)的TEM像Fig.4 TEM images of nugget zone of alloy joints: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2

圖5 合金的熱機(jī)影響區(qū)的TEM像Fig.5 TEM images of TMAZ of alloys: (a) Alloy 1; (b) Alloy 2

圖6 合金的熱影響區(qū)的TEM像Fig.6 TEM images of HAZ of alloy joints: (a) Alloy 1;(b) Alloy 2

3 分析與討論

3.1 攪拌摩擦焊接接頭的顯微組織

鋁合金板材的攪拌摩擦焊焊接接頭分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。硬度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2種合金焊接接頭各個區(qū)域的硬度分布趨勢是一致的。

焊核區(qū)是焊接攪拌頭直接攪拌的區(qū)域，在攪拌摩擦焊接過程中，晶粒發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，之后基體會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，從而形成特別細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒組織。比較母材與焊核區(qū) TEM 像可以看出，合金母材晶內(nèi)析出相在攪拌及焊接熱的作用下發(fā)生破碎和熔解，形成細(xì)小的彌散的球狀粒子。焊核區(qū)由于固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及彌散強(qiáng)化，硬度和強(qiáng)度相對較高。

熱機(jī)影響區(qū)受焊接熱作用和機(jī)械攪拌作用的影響，熱機(jī)影響區(qū)的晶粒組織發(fā)生彎曲變形，由母材的細(xì)纖維組織變形為具有一定弧度的彎曲粗纖維組織。晶粒內(nèi)部仍然保留著許多母材中的第二相MgZn2相，只是 MgZn2相在機(jī)械攪拌作用及焊接熱的影響下也發(fā)生部分的剪切和破碎，由針片狀相破碎為短棒狀。與此同時，還觀察到在晶粒內(nèi)部存在著位錯亞結(jié)構(gòu)，熱機(jī)影響區(qū)由于固溶強(qiáng)化及位錯亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，仍然能保持較高的強(qiáng)度和硬度。

熱影響區(qū)是受到焊接熱的作用但沒有受到機(jī)械作用影響的區(qū)域，焊接熱的影響相對焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)都要弱。熱影響區(qū)實(shí)際上經(jīng)歷了一個特殊的退火處理過程，與母材相比，熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生明顯的晶粒長大(見圖2)，晶內(nèi)析出相MgZn2也明顯粗化(見圖6)。晶粒長大和析出相粗化對焊接接頭帶來不利的影響，使得熱影響區(qū)成為焊接接頭的軟化區(qū)域。

3.2 微量鈧對 Al-Zn-Mg-Zr合金焊接接頭顯微組織的影響

金相顯微分析結(jié)果表明，添加微量鈧的合金2的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材的晶粒明顯比合金1的相應(yīng)區(qū)域的晶粒細(xì)小。這是由于單獨(dú)添加Zr時，合金在均勻化和熱加工過程中析出的初生Al3Zr粒子為四方DO23型結(jié)構(gòu)，a=0.401 3 nm，c=1.732 nm，與基體成非共格關(guān)系。而復(fù)合添加Sc和Zr時析出的細(xì)小、彌散分布的 Al3(Sc,Zr)復(fù)合粒子的晶格類型(LI2)及晶胞尺寸與基體極為相似，錯配度非常小，粒子呈馬蹄型，表明它們與基體共格，與基體共格的析出粒子對晶界的運(yùn)動具有強(qiáng)烈的釘扎作用，可以很好地阻礙晶界的移動，抑制晶粒長大，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的效果[14]。TEM像表明，在添加微量鈧的合金2的晶粒內(nèi)部存在著大量細(xì)小、彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子，在熱影響區(qū)內(nèi)仍然存在這種粒子。這是由于這種粒子與母材完全共格而具有非常高的熱穩(wěn)定性的緣故。對比 2種合金焊核區(qū)的透射電子顯微組織可以看出，在添加微量鈧的合金2的焊核區(qū)中彌散分布球形粒子的密度比合金1的焊核區(qū)的高，因此添加微量鈧的合金2的焊核區(qū)的硬度也高(見圖1)。

3.3 微量鈧對 Al-Zn-Mg-Zr合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

焊接接頭拉伸力學(xué)性能結(jié)果表明，添加微量鈧的合金2母材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度要比不含鈧的合金1的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別高22和42 MPa，且合金2的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比合金1的分別高19 MPa和33 MPa。這是因?yàn)樵诤辖鹬刑砑游⒘库傇刂?，在基體中會析出大量細(xì)小、彌散分布的馬蹄狀A(yù)l3(Sc,Zr)粒子，這種粒子與基體共格，具有較高的熱穩(wěn)定性。一方面，Al3(Sc,Zr)粒子對晶界的移動具有強(qiáng)烈的釘扎作用，可以阻礙晶界移動從而抑制晶粒長大，根據(jù)Hall-Petch公式可知，晶粒的細(xì)化能顯著提高金屬的屈服強(qiáng)度，許多焊接構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計是以屈服強(qiáng)度為參考的，提高屈服強(qiáng)度即提高了材料的許用強(qiáng)度[15]。另一方面，Al3(Sc,Zr)粒子對位錯的運(yùn)動具有強(qiáng)烈的釘扎作用，從而提高合金的強(qiáng)度。由透射電子顯微組織可知，Al3(Sc,Zr)粒子在合金2的熱影響區(qū)中仍然存在，而熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱部位。由此可見，合金2的母材以及焊接接頭的強(qiáng)度的提高來源于添加微量鈧導(dǎo)致的晶粒細(xì)化強(qiáng)化以及Al3(Sc,Zr)粒子的析出強(qiáng)化。

4 結(jié)論

1) 微量鈧使Al-Zn-Mg-Zr合金母材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了22 MPa和42 MPa；使其焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了 19 MPa和 33 MPa。

2) 2種合金攪拌摩擦焊接接頭上的硬度分布規(guī)律基本一致，焊核處硬度最高，熱影響區(qū)硬度最低。焊核處硬度的提高來源于攪拌摩擦引起的細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及第二相彌散強(qiáng)化，熱影響區(qū)硬度的降低主要是由于焊接熱循環(huán)引起的析出相的粗化。

3) Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金母材及焊接接頭強(qiáng)度的提高主要來源于 Al3(Sc,Zr)粒子釘扎晶界而抑制晶粒長大導(dǎo)致的晶粒細(xì)化強(qiáng)化以及 Al3(Sc,Zr)粒子的析出強(qiáng)化。

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Effects of minor Sc on microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Zr hot rolled plate

CHEN Ji-qiang1, YIN Zhi-min1, HE Zhen-bo1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

The effects of minor Sc on the microstructures and mechanical properties of friction stir welding (FSW) joint of Al-Zn-Mg-Zr alloy were studied by hardness test, tensile property test, optical microscope (OM) and transmission electron microscope (TEM) analysis. The results show that minor Sc can increase the tensile strength and yield strength of Al-Zn-Mg-Zr based alloys by 22 MPa and 42 MPa and those of FSW joints by 19 MPa and 33 MPa, respectively. The strengthening of weld nugget attributes to grain refinement strengthening, solution strengthening and precipitation strengthening caused by friction stir welding. The decrease of strength in head affected zone (HAZ) is due to coarsening of precipitated phase. The fine grain strengthening and precipitation strengthening of Al3(Sc,Zr) should be responsible for the strengthening of base alloy and the joint of Al-Zn-Mg-Zr alloy with minor Sc.

minor Sc; friction stir welding; microstructure; mechanical properties

TG457.14

A

1004-0609(2010)10-1883-06

國家民口配套資助項(xiàng)目(JPPT-115-2-948)

2009-10-23；

2009-12-12

尹志民，教授，博士；電話：0731-88830262；E-mail：zmyin@163.com

(編輯 李艷紅)