微量Sc、Zr和Er對(duì)5182鋁合金焊縫組織與性能的影響

徐 振，趙志浩，王高松，陳慶強(qiáng)，韓東月

(東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819)

5xxx系鋁合金具有優(yōu)異的塑性、耐蝕性和焊接性能，廣泛用于航空、航天及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域［1，2］.目前，5xxx 系鋁合金焊接時(shí)普遍采用惰性氣體保護(hù)焊，但由于焊接時(shí)熱輸入較高，焊后焊接接頭軟化嚴(yán)重，很大程度上限制了其在工業(yè)方面的應(yīng)用.鋁合金焊絲是5xxx系鋁合金惰性氣體保護(hù)焊焊接過(guò)程中所必需的填充材料.有研究表明［3］，在基材一定的條件下，合理地改變焊絲成分可以有效改善焊接接頭的組織與性能.

近年來(lái)，普遍采用微合金化的方法來(lái)提高鋁合金材料的綜合性能.在鋁合金中加入微量稀土元素，可顯著細(xì)化合金組織晶粒，凈化合金成分，去除合金中的氣體和有害夾雜，最終大幅提高合金的力學(xué)性能［4］.大量研究［5～8］表明，Sc 作為一種稀土元素添加到鋁合金中可以起到凈化合金、改善組織、抑制再結(jié)晶等作用.鋁合金中添加Sc，可以明顯提高合金的強(qiáng)度.此外，適量的Sc還可以降低合金焊接裂紋產(chǎn)生傾向，細(xì)化組織晶粒.但是由于Sc是一種戰(zhàn)略資源，其價(jià)格十分昂貴，且只有在合金中添加足夠量的Sc元素時(shí)才能全面改善合金的組織和性能，這極大的限制了Sc在工業(yè)上的應(yīng)用.近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)［9～15］，Er和 Zr在鋁合金中具有和Sc相類(lèi)似的作用，且成本低廉.

基于此，作者采用了傳統(tǒng)的ER5356焊絲及添加Sc、Zr和Er的微合金化鋁合金焊絲對(duì)5182鋁合金板材進(jìn)行手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊，研究了焊縫處的顯微組織，探究了Sc、Zr和Er元素對(duì)焊縫組織的影響機(jī)理.

1 試驗(yàn)方法

采用直徑為3.0 mm的傳統(tǒng)ER5356焊絲及添加Sc、Zr和Er的微合金化焊絲進(jìn)行焊接，母材為熱軋條件下的4.0 mm厚的5182鋁合金，母材及焊絲的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)所用鋁合金焊絲均在東北大學(xué)材料電磁過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備而成，其中Er和Sc以Al-13.2Er和Al-2Sc的中間合金形式加入，Zr采用Zr鹽形式加入.焊接前，使用有機(jī)溶劑清理母材及焊絲表面，再用手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊的方式進(jìn)行焊接，試樣尺寸為150 mm×100 mm×4 mm，焊接方向垂直于軋制方向，焊接工藝參數(shù)如表2所示.焊接后，沿垂直于焊接方向截取試樣.金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光和Kerell試劑腐蝕后在Leica DMI5000M光學(xué)金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察.使用TecnaiG220型透視電鏡下觀察組織中的析出相，在焊縫區(qū)截取0.15 mm厚的薄片試樣，機(jī)械減薄至0.08 mm，之后沖壓成直徑為3 mm的圓片.再使用30%HNO3+70%CH3OH(體積分?jǐn)?shù))溶液進(jìn)行雙噴減薄，雙噴溫度為-25℃，電壓為15 V.

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical constituents of welding wires and base metal(mass fraction)%

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Parameters of welding

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊縫處的顯微組織

鋁合金焊接接頭主要由四個(gè)區(qū)域組成，分別為焊縫區(qū)、融合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材.其中，焊縫區(qū)是焊接接頭的中心區(qū)域，其晶粒組織主要為鋁合金凝固態(tài)組織，強(qiáng)度最低，是整個(gè)焊接接頭最薄弱之處.可以說(shuō)，焊縫處的組織的優(yōu)良直接決定著整個(gè)焊接接頭力學(xué)性能的優(yōu)劣.圖1(a)為使用傳統(tǒng)ER5356鋁合金焊絲焊后焊縫處的顯微組織.從圖中可以看出，焊縫中心主要由等軸晶組織構(gòu)成，但晶粒尺寸較大，且晶粒尺寸不均.而圖1(b)、1(c)和1(d)所示為使用微合金化焊絲焊后的焊縫區(qū)(WZ)的顯微組織.從圖中可以明顯看出，添加微量Sc、Zr和Er后，焊縫處晶粒明顯細(xì)化且尺寸較為均勻.圖2所示為焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)的顯微組織.熱影響區(qū)也是焊接接頭較為薄弱的環(huán)節(jié)，由于焊接熱的作用，熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力較大，晶粒組織粗化，常形成柱狀晶組織，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量.從圖中可以看出，添加稀土元素后，焊接接頭的熱影響區(qū)組織也發(fā)生了明顯變化，柱狀晶組織的生長(zhǎng)得到了明顯抑制.此外，焊絲微合金化后，焊縫中析出相的數(shù)量增加明顯，析出相主要沿晶界析出.對(duì)比四種焊縫組織的晶粒尺寸可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的Sc，焊后焊縫處晶粒最為細(xì)小.

2.2 析出相分析

使用X射線衍射對(duì)含Sc焊縫組織進(jìn)行分析，如圖3所示.從圖中可以看出，合金中添加的Sc形成了Al3Sc相.在透射電鏡下觀察含Sc的焊縫組織可以發(fā)現(xiàn)，許多納米級(jí)的顆粒均勻彌散的分布在晶內(nèi)和晶界附近，如圖4所示.這些顆粒的尺寸約為20～30 nm，分析其衍射光斑后認(rèn)為這些顆粒主要是Al3Sc相，這與XRD的檢測(cè)結(jié)果相同.

圖1 焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織Fig.1 Microstructures of welding joints in WZ

圖2 焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.2 Microstructures of welding joints in HAZ

2.3 力學(xué)性能

圖5所示為沿軋制方向焊接接頭顯微硬度的分布的情況.從圖5可以看出，兩種焊接接頭硬度分布情況大致相同，均以焊縫中心為軸線，焊縫兩側(cè)的硬度的呈近似對(duì)稱(chēng)分布.整個(gè)焊接接頭區(qū)域中，焊縫與熱影響區(qū)的硬度值最小.對(duì)比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，微合金化后的焊接接頭的硬度要明顯高于傳統(tǒng)焊絲焊后的焊接接頭硬度.

3 分析與討論

焊接過(guò)程中，由于焊接熱對(duì)焊接接頭各區(qū)域影響程度不同，使得焊接接頭各區(qū)域的顯微組織與力學(xué)性能存在較大差異.但焊縫處為快速凝固后的鑄態(tài)組織，因而其強(qiáng)度最差，是焊接接頭最為薄弱的環(huán)節(jié).觀察焊縫處的顯微組織可以明顯發(fā)現(xiàn)，使用微合金化ER5356鋁合金焊絲施焊后，焊縫處的晶粒組織細(xì)化現(xiàn)象十分顯著，晶界處的析出相數(shù)量明顯增多.焊縫處的組織主要是焊絲熔化后，最后形成的凝固態(tài)組織，其主要成分是焊絲本身的化學(xué)成分.在焊接過(guò)程中，微合金化焊絲熔化后，焊絲中含有的稀土元素會(huì)隨熔化的焊絲填充到焊縫組織中.以單獨(dú)添加0.3%Sc的焊絲為例，由于焊接過(guò)程較快，焊縫區(qū)組織凝固速度很快，整個(gè)焊縫的凝固表現(xiàn)為非平衡凝固狀態(tài).焊縫區(qū)開(kāi)始凝固時(shí)，Sc會(huì)富集到固液界面的前沿.當(dāng)其含量達(dá)到其特定的成分點(diǎn)時(shí)，就會(huì)有Al3Sc相形成.這些納米級(jí)的Al3Sc相為L(zhǎng)12型，與Al基體的錯(cuò)配度很低，基本共格.在凝固過(guò)程中，先形成這些納米級(jí)的質(zhì)點(diǎn).由于這些質(zhì)點(diǎn)滿足作為異質(zhì)形核核心的要求，顯著提高了形核率，從而細(xì)化了合金的晶粒.而Er和Zr與Sc的作用類(lèi)似，可形成L12型的Al3Zr和 Al3Er相.但是 Al3Zr和 Al3Er與基體的錯(cuò)配度要略高于Al3Sc，因而其細(xì)化效果要稍弱于Sc.同時(shí)，由于冷卻速度較快，最后焊縫處會(huì)有大量含Sc的過(guò)飽和固溶體存在.這些過(guò)飽和固溶體可以在自然時(shí)效的條件下析出二次的Al3Sc顆粒.

圖3 焊縫區(qū)X射線衍射Fig.3 XRD graph of welding joint

圖4 透射電鏡下含Sc的焊縫組織Fig.4 TEM photos of the welding zone with Sc

圖5 焊接接頭的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of welding joints

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)ER5356鋁合金焊絲相比，使用微合金化的焊絲焊后焊縫處的晶粒組織更加均勻細(xì)小.

(2)焊絲微合金化后，焊縫處晶界上的析出相數(shù)量明顯增加.

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