2060攪拌摩擦焊對(duì)接接頭顯微組織與析出相分析

楊模聰，孫中剛，馬 銳，孟 強(qiáng)，陳 潔

(1.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436;2.中國(guó)攪拌摩擦焊中心，北京 100024)

鋰是最輕的金屬元素，密度為0.534 g/cm3，僅為鋁的1/5，研究表明，鋁合金中每添加1%的鋰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，合金密度降低3%，彈性模量提高6%，因此，受到了工業(yè)界廣泛重視.鋁鋰合金自二十世紀(jì)初發(fā)明以來(lái)，已歷經(jīng)三代.第三代鋁鋰合金，在解決了第一代生產(chǎn)工藝難度大，韌性差，缺口敏感性高，第二代各項(xiàng)異性嚴(yán)重、塑性韌性較低、熱暴露后嚴(yán)重?fù)p失韌性、不可焊、鉚接缺口效應(yīng)明顯、強(qiáng)度低等這一系列問(wèn)題后，適當(dāng)降低了合金中鋰元素的含量，使合金在保持各方面性能不降低的同時(shí)，各向異性得到了較好解決，特別是Cu/Li比提高以后，材料的焊接性能得到極大改善.鋁鋰合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金，能夠使結(jié)構(gòu)減重10% ～15%，剛度提高15% ～20%，因此，在航空、航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1－5］.

攪拌摩擦焊接技術(shù)(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)焊接技術(shù)研究所(The Welding Institute，簡(jiǎn)稱TWI)于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù).與傳統(tǒng)熔化焊接技術(shù)相比，攪拌摩擦焊工藝具有焊接變形小、焊接質(zhì)量高、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、清潔的固相連接方式.因此，該技術(shù)被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具前景的焊接方法之一.迄今為止，攪拌摩擦焊已被證明可以實(shí)現(xiàn)所有牌號(hào)鋁合金以及不同狀態(tài)鋁合金之間的焊接.對(duì)于鋁鋰合金，采用傳統(tǒng)熔化焊接的方法，容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷，同時(shí)材料中鋰元素的燒損，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材，但采用攪拌摩擦焊接方法，焊接第三代鋁鋰合金(2199、2195、2198、2A97等)，均獲得了高質(zhì)量的焊接接頭［6－11］.

已有的研究工作，多集中在傳統(tǒng)鋁鋰合金的接頭性能方面，未對(duì)形成這些性能的根本原因——接頭顯微組織分布，進(jìn)行深入研究.本文選用在我國(guó)研制的大型客機(jī)中有廣泛應(yīng)用前景的第三代鋁鋰合金2060，開展攪拌摩擦焊接對(duì)接技術(shù)研究，深入探討攪拌摩擦焊接頭各區(qū)顯微組織與析出相演變規(guī)律，為鋁鋰合金攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)的選擇提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用2060鋁鋰合金的主要化學(xué)成分如表1所示.將2060板材切割為200 mm×400 mm×2 mm待焊試片，焊前將試板接觸攪拌頭軸肩一側(cè)進(jìn)行機(jī)械打磨，以去除表面氧化層，再用丙酮擦拭干凈備焊.試驗(yàn)選用雙圓環(huán)錐形無(wú)螺紋攪拌頭進(jìn)行焊接，攪拌針長(zhǎng)度為1.86 mm，選用的焊接工藝參數(shù)為，主軸旋轉(zhuǎn)速度600 rpm，焊接速度400 mm/min，下壓量控制在0.1 mm內(nèi).焊后對(duì)焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)無(wú)缺陷的試板，用于組織與析出相分析.垂直焊接方向線切割得到包括母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊縫區(qū)的30 mm×6 mm×2 mm試樣，用酚醛模塑料進(jìn)行鑲樣，1～6#金相砂紙磨平后拋光，用1%HF+1.5%HCL+2.5%HNO3+95%H2O腐蝕劑腐蝕，腐蝕時(shí)間為25 S.在NIKON EPIPHOT－300型光學(xué)顯微鏡和FEI SIRION200型電子顯微鏡下進(jìn)行顯微組織分析，利用CX200透射電鏡觀察合金析出相.透射試樣的制作如下:焊縫試片線切割為0.5 mm薄片，機(jī)械打磨至50 μm，最后雙噴減薄，雙噴液為5%HF+95%酒精溶液，溫度為－20℃.

表1 2060主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2 結(jié)果及分析

2.1 接頭微觀形貌

對(duì)接接頭微觀形貌如圖1所示，端面為倒錐形.焊縫端面各區(qū)微觀形貌分布明顯，從左至右分別為:母材—熱影響區(qū)—熱機(jī)影響區(qū)—焊縫—熱機(jī)影響區(qū)—熱影響區(qū)—母材，焊核左方為前進(jìn)側(cè)，右方為后退側(cè)，兩側(cè)微觀界面呈現(xiàn)顯著差異.在前進(jìn)側(cè)，由于攪拌針表面螺紋的存在［12］，材料受到攪拌針強(qiáng)烈的剪切作用，摩擦剪切力將軋制態(tài)α板條顯著拉長(zhǎng)，板條變窄，板條呈現(xiàn)出明顯的方向性，焊核區(qū)和母材界面非常清晰，如圖2(a)所示;同時(shí)還應(yīng)注意，在前進(jìn)側(cè)靠近軸肩的上部，因受到軸肩運(yùn)動(dòng)的影響［13－14］，熱輸入大，界面也變得模糊起來(lái).后退側(cè)，軟化層受到攪拌針的帶動(dòng)作用，由前向后流動(dòng)，對(duì)后退側(cè)材料起到較好的潤(rùn)滑作用，大大降低攪拌針與后退側(cè)材料的摩擦剪切力，因此，后退側(cè)組織受到的剪切力小，組織變形也小，如圖2(b)所示.

圖1 焊接接頭微觀形貌

圖2 兩側(cè)界面形貌

2.2 接頭各區(qū)顯微組織與析出相分析

2.2.1 2060母材區(qū)

2060母材顯微組織如圖3所示，經(jīng)雙向軋制后的2060為長(zhǎng)板條α相組成的片層結(jié)構(gòu)，α板條交錯(cuò)分布.

本文使用的2060，擁有較高的Cu/Li比，已有研究表明，鋁鋰合金在高的Cu/Li比時(shí)，主要析出強(qiáng)化相是T1(Al2CuLi)和少量 δ'(Al3Li)［15－16］，圖中針片狀 T1和球形 δ'彌散分布于α基體上.此外，在部分取向的α板條組織中，一種三角形相大量析出，清晰可見.考慮到該合金采用的是雙向扎制法，兩向α板條受熱和受力情況均等，所以，兩個(gè)方向的板條組織中均應(yīng)有三角相析出，將2060中緊鄰的三個(gè)板條相放大至10 000倍，證實(shí)了以上想法.如圖4中的板條2，三角相析出明顯，而板條1和板條3中，析出相存在卻不易觀測(cè).這種析出相觀測(cè)的難易，應(yīng)該源于α板條與觀測(cè)方向夾角的差異，當(dāng)板條截面平行于觀測(cè)面時(shí)易于觀測(cè)，而垂直時(shí)，則不易觀測(cè).同時(shí)，該三角相還呈現(xiàn)出沿一個(gè)方向析出的典型特點(diǎn)，如圖4中板條2所示，這可能和母材的軋制方向相關(guān).本文對(duì)該三角相進(jìn)行了初步研究，對(duì)應(yīng)的TEM明場(chǎng)相及選區(qū)衍射圖譜見圖5(a)和5(b).衍射圖譜表明，這些三角析出相為立方結(jié)構(gòu)，通過(guò)能譜分析(見圖5(c))，Cu和Al原子比接近2∶1，而Fe和Zr元素應(yīng)該是測(cè)試時(shí)引入的，因此，基本可以判定，該三角相應(yīng)為立方AlCu2Mn.

圖3 2060顯微組織

圖4 AlCu2Mn相在板條中全面析出

圖5 立方AlCu2Mn相(a)明場(chǎng)相;(b)選區(qū)衍射圖;(c)能譜圖

2.2.2 熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)

熱影響區(qū)由于受摩擦熱作用，原始板條組織有明顯粗大現(xiàn)象，如圖6(a)所示，在板條組織內(nèi)，針片狀T1相析出更加全面.

圖6 熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)組織

在熱機(jī)影響區(qū)，無(wú)論前進(jìn)側(cè)還是后退側(cè)，由于受到摩擦熱和機(jī)械攪拌的雙重作用，受熱后的粗大組織被攪拌針帶動(dòng)而破碎，顯微組織較熱影響區(qū)有所細(xì)化，圖6(b)所示.在前進(jìn)側(cè)，由于受到攪拌針的剪切作用更強(qiáng)，部分未破碎的α板條被拉長(zhǎng)，發(fā)生了較大的扭曲變形，圖2(a)所示.

受到熱作用的影響，以上兩區(qū)域的典型特點(diǎn)是T1相析出比例增加，而三角的AlCu2Mn相析出極不明顯，或消失，這說(shuō)明該相極易受到熱影響，是一種熱熔化相.

2.2.3 焊核區(qū)

圖7所示焊核區(qū)微觀組織，焊核區(qū)金屬得到充分?jǐn)嚢?，α板條被完全打碎，晶粒重新形核，但因焊核所在的高溫區(qū)存在時(shí)間較短，形核后，晶粒不能充分生長(zhǎng)，而成為細(xì)小的等軸晶組織.經(jīng)歷短暫高溫后，AlCu2Mn相在焊核區(qū)不復(fù)存在.在10 000倍的顯微組織照片中，還可以發(fā)現(xiàn)，等軸晶組織之間彌散分布有一定數(shù)量的白點(diǎn)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行透射電鏡和能譜測(cè)試，如圖8所示，結(jié)合鋁鋰合金中相的析出規(guī)律，以及該相的外觀形貌，認(rèn)為，該相是在高溫狀態(tài)下從基體中析出的AlxCuxMn相.

圖7 焊核區(qū)顯微組織照片

圖8 焊核區(qū)明場(chǎng)相及能譜圖

2.3 顯微硬度分布

以母材區(qū)為起點(diǎn)，沿接頭橫截面每隔1 mm測(cè)試顯微硬度值，結(jié)果如圖9所示.母材區(qū)由于存在較多析出相T1、δ'和AlCu2Mn，顯微硬度較高，約150 HV左右;進(jìn)入熱影響區(qū)后，接頭組織不斷粗大，析出相的減少，顯微硬度開始降低，直到出現(xiàn)最低值71.4 HV;在10 mm位置以后，顯微硬度出現(xiàn)一個(gè)快速增加區(qū)，該區(qū)應(yīng)為熱機(jī)影響區(qū)，源于組織存在一定的細(xì)化和變形;進(jìn)入焊核區(qū)以后，由于等軸晶組織和高溫相AlxCuxMn的出現(xiàn)，顯微硬度顯著提高，且在整個(gè)焊核區(qū)，因組織均勻一致，材料顯微硬度也穩(wěn)定在115 HV左右.在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)，由于顯微組織分布類似，顯微硬度的演變趨勢(shì)也基本一致.

圖9 接頭顯微硬度分布

3 結(jié)論

1)2060攪拌摩擦焊接接頭的母材為雙向板條組織，熱影響區(qū)組織受熱粗大，熱機(jī)影響區(qū)組織因機(jī)械攪拌作用有所細(xì)化，而焊核區(qū)為典型的等軸晶組織.

2)2060攪拌摩擦焊接接頭顯微組織中，相演變規(guī)律從母材至焊縫依次為:α+T1+δ'+AlCu2Mn→α +T1→α +AlxCuxMn，2060母材 α 板條中析出有三角析出相AlCu2Mn，受熱后消失，焊核中存在AlxCuxMn高溫析出相.

3)接頭顯微硬度的分布隨顯微組織的演變而變化，母材因析出相多，顯微硬度顯著大于其他三區(qū)，為150 HV;熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)因組織粗大以及析出相的減少，顯微硬度值最低;焊核區(qū)的細(xì)小等軸晶和析出相的出現(xiàn)，顯微硬度顯著增加，并穩(wěn)定于115 HV左右.

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