含鈧Al-Zn-Mg-Zr合金薄板材MIG焊接接頭的組織與性能

李波，潘清林，陳從平，吳海華，尹志民

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含鈧Al-Zn-Mg-Zr合金薄板材MIG焊接接頭的組織與性能

李波1，潘清林2，陳從平1，吳海華1，尹志民2

(1. 三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，宜昌 443002；2. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

采用新型Al-Mg-Sc-Zr焊絲對(duì)含鈧Al-Zn-Mg-Zr合金薄板材進(jìn)行MIG焊，借助顯微硬度及拉伸性能測(cè)試、OM，SEM，TEM等檢測(cè)手段對(duì)焊接接頭的微觀組織和性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織；熱影響區(qū)靠近焊縫一側(cè)呈現(xiàn)大量細(xì)小等軸晶組織，靠近基材區(qū)為纖維狀組織和少量再結(jié)晶組織；基材區(qū)為纖維狀組織。焊接接頭的顯微硬度以焊縫為中心呈近似對(duì)稱(chēng)，且中心處硬度值最低；抗拉強(qiáng)度為481 MPa，屈服強(qiáng)度為320 MPa，伸長(zhǎng)率為10.1%，焊接系數(shù)約0.83。同時(shí)，焊絲和基材中微量的Sc和Zr元素在合金中形成大量細(xì)小且與基體共格的Al3(Sc,Zr)粒子，能顯著細(xì)化晶粒組織，有效抑制再結(jié)晶發(fā)生，大大改善焊縫區(qū)的力學(xué)性能。

鈧；Al-Zn-Mg-Zr合金；MIG焊；顯微組織；力學(xué)性能

Al-Zn-Mg系中強(qiáng)可焊耐蝕合金具有優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能，而且焊接性能良好，是理想的輕質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng) 域[1?2]。研究表明：復(fù)合添加微量Sc，Zr元素到Al- Zn-Mg合金中后，會(huì)形成具有Ll2結(jié)構(gòu)的Al3(Sc, Zr)粒子，與a-Al基體共格，可以有效地細(xì)化合金晶粒，大幅改善合金的綜合性能[3?5]。LI等[6]對(duì)比研究了復(fù)合添加微量Sc，Zr元素對(duì)Al-Zn-Mg合金的組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加0.24% Sc和0.12% Zr的合金經(jīng)過(guò)120 ℃/24 h時(shí)效處理后，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了70 MPa和82 MPa，其強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和Al3(Sc,Zr)粒子析出強(qiáng)化；賀永東等[7]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合添加微量的Sc，Zr元素較單獨(dú)添加Sc或Zr具有更好的晶粒細(xì)化作用、較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用和較好的再結(jié)晶抑制效果。隨著含鈧鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用，其焊接性能日益受到材料研究人員的重 視[8?9]。目前，MIG在鋁合金焊接方法中應(yīng)用較為廣泛[10?11]。彭小燕等[12]研究了7020 鋁合金MIG焊焊接接頭的組織與性能，結(jié)果表明焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，使其成為接頭最薄弱的區(qū)域，h￠(MgZn2)相粗化導(dǎo)致熱影響區(qū)內(nèi)離焊縫中心約30 mm的位置形成硬度較低的軟化區(qū)。蹇海根等[13]研究了鋁鎂合金板材MIG焊焊接接頭的組織與性能，研究結(jié)果表明通過(guò)添加微量Zr 細(xì)化焊縫晶粒及Al3Zr粒子的析出，可顯著改善焊接接頭的力學(xué)性能和抗熱裂性。鑒于此，本文采用新型Al-Mg-Sc-Zr焊絲為填料，對(duì)含鈧Al-Zn-Mg-Zr合金薄板材進(jìn)行MIG焊接，研究焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能，并探討微量Sc，Zr元素在焊接接頭中的存在形式及作用機(jī)理，旨在為該種合金板材在焊接構(gòu)件中的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

焊接所用母材為2 mm厚的Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金薄板材，焊絲為自行研制的Al-Mg-Sc-Zr合金新型焊絲，其化學(xué)成分如表1所列。

焊接實(shí)驗(yàn)前，合金板材經(jīng)固溶(470 ℃/60 min)、水淬和時(shí)效處理(120 ℃/24 h)。同時(shí)，用丙酮和酒精對(duì)板材表面進(jìn)行擦拭，再用鋼絲刷將焊接區(qū)域表面刷凈。焊接工藝參數(shù)如表2所列。

拉伸實(shí)驗(yàn)參照GB/T228—2002在MTS-858萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在401MVDTM數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)下測(cè)定不同時(shí)效態(tài)下的硬度值，加載載荷0.2 kg，加載時(shí)間10 s。金相顯微組織觀察在德國(guó)LeicaDFC295型金相顯微鏡上進(jìn)行。掃描電鏡觀察在FEI Quanta 200型掃描電鏡上進(jìn)行，其中FEI Quanta 200 SEM配備了EDAX Genesis型能譜分析儀(EDS)，加速電壓為20 kV。透射電鏡觀察在TECNAI G220型透射電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200 kV。

表1 實(shí)驗(yàn)合金薄板材和焊絲的化學(xué)成分

表2 MIG 焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

圖1所示為焊接板材宏觀形貌照片和低倍組織。從圖中可以看出，焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定、焊縫成型規(guī)則，焊后余高一致。焊縫表面成形良好，干凈光亮，焊道呈直線(xiàn)且寬度均勻，未見(jiàn)明顯的裂紋、縮孔等焊接缺陷。

圖1 焊接板材實(shí)物圖和低倍組織照片

圖2所示為焊接接頭的硬度分布。由圖可知，焊接接頭硬度以焊縫為中心呈近似對(duì)稱(chēng)，且中心處硬度值最低。沿中心向基材方向，焊接接頭的硬度呈先升高后降低再增高的趨勢(shì)，在距焊縫中心大約10 mm處，硬度出現(xiàn)一個(gè)峰值，維氏硬度值達(dá)到145左右。此后，焊接接頭硬度開(kāi)始下降，在距焊縫中心16 mm左右處硬度再次出現(xiàn)一個(gè)低值。當(dāng)距中心超過(guò)16 mm后，焊接接頭硬度又開(kāi)始逐漸增大，在大約距焊縫中心30 mm處，硬度值基本與基材區(qū)持平。

圖2 焊接接頭硬度分布

圖3所示為焊接接頭和基材拉伸試樣取樣位置，表3所列為拉伸性能?；慕?jīng)過(guò)470 ℃/60 min固溶、水淬處理，再經(jīng)120 ℃/24 h時(shí)效處理后，其抗拉強(qiáng)度為581 MPa，屈服強(qiáng)度為561 MPa，伸長(zhǎng)率為11.1%。與基材相比，帶余高的焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，其抗拉強(qiáng)度為481 MPa，屈服強(qiáng)度為320 MPa，伸長(zhǎng)率為10.1%，焊接系數(shù)約0.83。從拉伸斷口位置可以發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣全部斷在熱影響區(qū)，距焊縫大約16 mm處；

2.2 焊接接頭顯微組織

圖4所示為焊接接頭不同部位的金相顯微組織。由圖4可知，焊接接頭由3個(gè)區(qū)組成：焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及基材區(qū)。焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織；熱影響區(qū)可細(xì)分為半熔合區(qū)和軟化區(qū)，其中靠近焊縫區(qū)的組織為半熔合區(qū)，呈現(xiàn)大量細(xì)小等軸晶組織；靠近基材區(qū)組織為軟化區(qū)，其組織特征為少量再結(jié)晶組織和加工纖維組織。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)結(jié)合良好?；膮^(qū)為典型的纖維狀組織。

圖3 基材和焊接接頭拉伸試樣取樣示意圖

表3 焊接接頭的拉伸力學(xué)性能

Note: Welding coefficient:(: Tensile strength of welded jiont,m: Tensile strength of base metal)

圖5所示為焊接接頭的背散射電子照片及能譜分析結(jié)果。由圖5可知，焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的顯微組織差別并不明顯，均存在大量白色的富Zn，Mg非平衡相?；膮^(qū)沿軋制方向彌散分布著許多白色析出相，其能譜分析結(jié)果如表4所列。由表4可知，在熱影響區(qū)存在微量Sc元素，而微量Sc元素與Al會(huì)形成彌散分布的納米級(jí)Al3Sc粒子。同時(shí)，焊接接頭各區(qū)域均存在Fe元素，極易形成高熔點(diǎn)雜質(zhì)相。

圖4 合金焊接接頭不同部位的金相顯微組織

圖5 焊接接頭的背散射電子照片及能譜分析

圖6所示為焊接接頭的透射電子顯微組織。由圖6(a)可知，焊縫區(qū)組織近似為過(guò)飽和固溶體。圖6(b)為熱影響區(qū)TEM照片，有大量的馬蹄狀A(yù)l3(Sc, Zr)粒子析出，彌散分布的Al3(Sc,Zr)粒子的晶格類(lèi)型(Ll2)及晶胞尺寸與a-Al基體極為相似，具有較低的錯(cuò)配度，與a-Al基體共格，對(duì)亞晶界具有強(qiáng)烈的釘扎作用，可以很好地阻礙晶界的移動(dòng)，有效抑制再結(jié)晶，從而大幅提高熱影響區(qū)的強(qiáng)度。圖6(c)，(d)為焊縫區(qū)向熱影響區(qū)過(guò)渡的TEM照片，在熱影響區(qū)，晶界和晶內(nèi)存在大量的納米級(jí)析出相，且晶界析出相呈不連續(xù)分布；同時(shí)，還可以觀察到亞晶組織和細(xì)小、彌散的Al3(Sc,Zr)粒子。圖6(e)為基材區(qū)TEM照片，晶界析出相η相呈不連續(xù)分布，在晶界附近有無(wú)沉淀析出帶出現(xiàn)，晶內(nèi)可觀察到大量彌散分布的η′相；同時(shí)，選區(qū)電子衍射花樣表明(圖6(f))，在晶界附近存在馬蹄狀的A13Sc或A13(Sc,Zr)粒子。

2.3 分析與討論

含鈧Al-Zn-Mg-Zr合金屬于典型的可熱處理強(qiáng)化合金。在焊接過(guò)程中，焊接接頭各部位的溫度不一致，因此，各部位呈現(xiàn)類(lèi)似不同的熱處理效果。文獻(xiàn)[14?15]表明：鋁合金在進(jìn)行氬弧焊焊接時(shí)，焊縫中心處溫度高達(dá)700～800 ℃左右，同時(shí)，由于焊接熱造成的影響，從坡口邊緣沿基材方向還將依次發(fā)生類(lèi)似固溶、時(shí)效等處理過(guò)程。焊接完畢后，由于鋁合金具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在隨后的冷卻過(guò)程中焊接熱沿基材方向迅速傳遞。

表4 能譜分析中第二相的化學(xué)成分

圖6 焊接接頭透射電子顯微組織

圖7 熱處理強(qiáng)化合金焊接接頭組織示意圖

圖7所示為根據(jù)圖4金相顯微組織繪制的合金板材焊接接頭顯微組織模型示意圖，焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，半熔合區(qū)由細(xì)小的等軸晶組織組成，而在軟化區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了少量再結(jié)晶，基材區(qū)為典型的纖維狀 組織。

研究表明[16?18]，作為異質(zhì)形核核心的粒子應(yīng)具備如下3個(gè)條件：第一，細(xì)化劑與基體之間具有界面共格性，錯(cuò)配度小于5%。第二，細(xì)化劑熔點(diǎn)高、具有良好的熱穩(wěn)定性，在熔體中均勻分布、不易被污染。第三，細(xì)化劑作為形核劑，在合金凝固時(shí)優(yōu)先析出，并最好能與熔體發(fā)生包晶反應(yīng)生成先析出相。在本研究中，焊絲和基材區(qū)均存在微量的Sc，Zr元素，在焊接過(guò)程中，熔池內(nèi)微量的Sc，Zr元素可以和a-Al基體形成初生的Al3(Sc,Zr)粒子，該粒子為L(zhǎng)12晶格類(lèi)型，與a-Al基體完全共格，并在合金凝固時(shí)優(yōu)先析出，具有良好的熱穩(wěn)定性，呈彌散均勻分布，因此，在熔池內(nèi)Al3(Sc, Zr)粒子可以成為良好的異質(zhì)形核核心，起細(xì)化晶粒作用，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化的效果。同時(shí)，除了強(qiáng)烈細(xì)化熔池內(nèi)鑄態(tài)組織外，在焊縫快速凝固過(guò)程中還會(huì)生成Al3(Sc,Zr)粒子，該粒子尺寸大約為20~30 nm，具有彌散強(qiáng)化作用，顯著提高了焊縫強(qiáng)度[19?21]。

因此，在半熔合區(qū)內(nèi)由于析出了大量細(xì)小的Al3(Sc,Zr)粒子，形成了一層較薄的細(xì)小等軸晶晶粒，產(chǎn)生了顯著的細(xì)晶強(qiáng)化作用，合金硬度在這個(gè)區(qū)域內(nèi)呈增加趨勢(shì)。軟化區(qū)內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)再結(jié)晶組織，且析出相的強(qiáng)化效果不明顯，硬度值又開(kāi)始出現(xiàn)下降。而由熱影響區(qū)沿基材方向，合金內(nèi)主要仍為纖維狀組織，只有少量的再結(jié)晶晶粒，這是由于Al3(Sc,Zr)粒子對(duì)晶界存在釘軋作用，可有效抑制晶界遷移，阻礙再結(jié)晶的發(fā)生及晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)，時(shí)效析出相的強(qiáng)化效果開(kāi)始逐漸增加，合金硬度上升至基材水平。

3 結(jié)論

1) 新型Al-Mg-Sc-Zr焊絲與Al-5.4Zn-2.0Mg- 0.25Sc-0.10Zr合金具有很好的相容性，帶余高的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為481 MPa，屈服強(qiáng)度為320 MPa，伸長(zhǎng)率為10.1%，焊接系數(shù)高達(dá)0.83。焊接接頭的硬度以焊縫為中心呈近似對(duì)稱(chēng)，且中心處硬度值最低；沿中心往基材方向，焊接接頭的硬度呈先升高后降低再升高的趨勢(shì)。

2) 焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，靠近焊縫區(qū)的組織為半熔合區(qū)，呈現(xiàn)大量細(xì)小等軸晶組織；靠近基材區(qū)的組織為軟化區(qū)，其組織特征為加工纖維組織和少量再結(jié)晶組織。

3) 焊絲和基材中微量的Sc，Zr元素形成大量細(xì)小的初生Al3(Sc,Zr)粒子，該粒子可作為非均勻形核的核心質(zhì)點(diǎn)，顯著細(xì)化熔池內(nèi)鑄態(tài)晶粒，且在半熔合區(qū)內(nèi)出現(xiàn)1層較薄的細(xì)小等軸晶組織。同時(shí)，由于Al3(Sc,Zr)粒子的存在，可以強(qiáng)烈釘軋晶界，有效阻礙晶界遷移，抑制再結(jié)晶發(fā)生，顯著改善焊接接頭的 強(qiáng)度。

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(編輯 高海燕)

Microstructures and properties of MIG welded joint of Al-Zn-Mg-Zr aluminum alloy sheet containing Sc

LI Bo1, PAN Qinglin2, CHENCongping1, WU Haihua1, YINZhimin2

(1. College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy sheet was welded using novel Al-Mg-Sc-Zr welding wire by the method of metal inert gas (MIG) welding. Microstructures and mechanical properties of the welded joint were investigated by OM, SEM, TEM, microhardness test and tensile test. The results show that the weld zone exhibits typical cast structures consisting of dendritica-Al. Besides, a large number of fine equiaxed grains form in the fusion zone on one side of the welding line as well as a small amount of recrystallization and fibrous structure on the other side. The fibrous organization is obviously found in the base metal. The hardness curve in the cross-section presents symmetrical distribution along weld centerline, and the minimum hardness appears in the region of fusion zone. The tensile strength, yield strength, elongation and welding coefficient of the welded joint are 481 MPa, 320 MPa, 10.1% and 0.83, respectively. Meanwhile, trace amount of Sc and Zr elements in welding wire and alloy sheet form fine, coherent Al3(Sc,Zr) particles with L12structure, which can refine grain, inhibit recrystallization and improve mechanical properties.

Sc; Al-Zn-Mg-Zr alloy; metal inert gas welding; microstructure; mechanical property

TG40

A

1673?0224(2016)05?767?08

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃優(yōu)秀中青年人才項(xiàng)目(Q20161202)；水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2016KJX04)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475266)

2015?11?23；

2016?05?04

李波，講師，博士。電話(huà)：0717-6397559；Email: liboctgu@163.com