7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭沉淀相析出行為

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(1.河北省交通工程材料重點實驗室，河北 石家莊 050043; 2.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043; 3.河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0 前言

7075鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，具有高的比強度、比剛度以及較好的塑性，廣泛應(yīng)用于高速列車、飛機等載運工具制造領(lǐng)域。采用傳統(tǒng)熔焊方法對其連接時易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋及HAZ軟化等問題[1]。攪拌摩擦焊是英國焊接研究所(The Welding Institute，TWI)于1991年發(fā)明的固相焊接技術(shù)，是鋁合金最具前景的焊接技術(shù)之一[2]。它能夠有效避免氣孔、熱裂紋等問題，緩解HAZ軟化的問題。近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者開展FSW研究工作，主要集中在如下幾個方面：FSW焊接工藝[3]，焊縫成形機理[4]，接頭微觀組織及力學(xué)性能[5-7]，溫度場、應(yīng)力場和流場的數(shù)值模擬[8-9]以及接頭中沉淀相分布情況等[10-12]。但是，目前關(guān)于7075鋁合金FSW接頭沉淀相析出行為研究甚少，而這對于優(yōu)化FSW焊接工藝，提高接頭性能及保證鋁合金結(jié)構(gòu)安全可靠性具有重要的意義。文中借助TEM對7075鋁合金FSW接頭中WNZ，TMAZ，HAZ及BM中的沉淀相分布、形貌等進(jìn)行觀察，并對沉淀相的晶格條紋間距進(jìn)行計算，以研究接頭不同區(qū)域沉淀相的析出行為。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用厚度為6 mm的7075高強鋁合金平板(供貨狀態(tài)：T6)，其化學(xué)成分如表1所示。焊件尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，焊接方式為平板對焊。軸肩直徑為15 mm，攪拌針根部直徑為5.20 mm，端部直徑為3.10 mm，攪拌針長度為5.66 mm。FSW焊接工藝分別為攪拌頭轉(zhuǎn)速800 r/min，焊接速度300 mm/min。金相試樣腐蝕劑為Keller試劑，腐蝕時間為30 s。利用GX51型OLYMPUS金相顯微鏡觀察接頭不同微區(qū)的微觀組織。利用HVS-1000型數(shù)顯顯微維氏硬度儀測試顯微維氏硬度分布。利用D8 ADVANCE 型XRD對合金進(jìn)行物相分析。TEM試樣利用MTP-1A型磁力驅(qū)動電解雙噴減薄器減薄至穿孔，雙噴液成分為100 mL硝酸+300 mL甲醇，雙噴溫度為-30 ℃。利用JEM-2100型TEM對接頭WNZ,TMAZ,HAZ以及BM中的沉淀相分布和形貌等進(jìn)行觀察，利用Digital Micrograph軟件測量沉淀相晶格條紋間距。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織及顯微維氏硬度分布

焊接接頭不同微區(qū)組織形貌如圖1所示。圖1a是7075鋁合金FSW接頭的整體形貌圖。從圖1a可以看出，7075鋁合金FSW接頭由WNZ,TMAZ及HAZ組成，接頭的組織分布極不均勻。圖1b是BM組織，經(jīng)擠壓后，晶粒組織呈纖維狀。長度方向上尺寸有幾百微米、厚度方向上只有30 μm左右。圖1c是WNZ組織，該區(qū)域由于攪拌頭機械攪拌和焊接熱作用，加之?dāng)D壓板材的塑性變形存儲能，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)小且呈等軸狀，尺寸僅有2～3 μm。圖1d是TMAZ組織，與BM相比，該區(qū)域晶粒在攪拌頭機械攪拌帶動下發(fā)生一定程度塑性變形，其晶粒取向發(fā)生一定的變化。與BM相比，HAZ晶粒在熱輸入的影響下在厚度方向上發(fā)生了一定程度的粗化，如圖1e所示。

接頭顯微維氏硬度分布如圖2所示。從圖2可以看出，7075鋁合金FSW接頭的顯微維氏硬度均低于BM；接頭中WNZ顯微維氏硬度相對最高，TMAZ顯微維氏硬度較高，TMAZ與HAZ交界處顯微維氏硬度最低。

圖1 接頭微觀組織

圖2 接頭與母材顯微維氏硬度分布

2.2 沉淀相種類

7075鋁合金XRD分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，該合金中沉淀相主要包括MgZn2和AlCuMg。

7075鋁合金FSW接頭中沉淀相形貌圖如圖4所示。從圖4可以看出，沉淀相基本上分為兩種形貌：棒狀和橢圓狀。為了進(jìn)一步確定不同形貌沉淀相的種類，對沉淀相的高分辨晶格條紋進(jìn)行觀察。晶格條紋是晶體中不同晶面所成的像，通過測量晶格條紋間距，可以確定沉淀相的種類[13]。不同形態(tài)沉淀相晶格條紋形貌及測量結(jié)果如圖5所示。

圖3 XRD分析結(jié)果

圖4 沉淀相形貌

從圖5可以看出，7075鋁合金中沉淀相有棒狀和橢圓狀兩種形貌。利用Digital Micrograph軟件測量晶格條紋間距如下：棒狀沉淀相的晶面間距d=0.833 4 nm,0.828 2 nm以及0.853 0 nm，橢圓狀沉淀相的晶面間距d=0.890 0 nm和0.918 0 nm。通過與標(biāo)準(zhǔn)相的晶面間距結(jié)果進(jìn)行比較，確定棒狀沉淀相為MgZn2，這與Srinvasa Rao T等人[11]的研究結(jié)果相吻合。橢圓狀沉淀相為AlCuMg，金屬中沉淀相以細(xì)、小、圓、勻的形式分布在焊縫中則強化效果好，因此橢圓狀A(yù)lCuMg強化效果好，棒狀MgZn2強化效果相對較差。

2.3 接頭中沉淀相分布與分析

圖6為轉(zhuǎn)速800 r/min，焊接速度300 mm/min焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭不同微區(qū)沉淀相分布。從圖6a和6b可以看出，與BM相比，WNZ中的沉淀相明顯發(fā)生粗化。所以，雖然WNZ晶粒較BM變小，但顯微維氏硬度低于BM，如圖2所示，由此可以得出相比于晶粒大小，沉淀相尺寸對顯微維氏硬度影響較大。從圖6c可以看出，TMAZ與WNZ相比，由于峰值溫度低于WNZ，在AlCuMg的析出溫度區(qū)間停留時間相對較短，TMAZ中析出沉淀相AlCuMg數(shù)量相對較少，棒狀沉淀相MgZn2數(shù)量相對較多，強化效果相對較差，所以TMAZ顯微維氏硬度比WNZ低。與TMAZ相比，HAZ溫度進(jìn)一步降低，位于沉淀相MgZn2的析出溫度區(qū)間，從而導(dǎo)致MgZn2相對增多，AlCuMg數(shù)量相對減少。同時，從圖1e還可以看出，相比于TMAZ，HAZ的晶粒在焊接過程中幾乎沒有塑性變形痕跡，晶粒尺寸也無明顯變化，加工硬化和細(xì)晶強化的效果不大，所以HAZ與TMAZ交界處的顯微維氏硬度低于TMAZ，即FSW接頭顯微維氏硬度最低值位于HAZ與TMAZ交界處。

圖5 沉淀相的晶格條紋

綜合來看，7075鋁合金FSW接頭中WNZ、TMAZ及HAZ微觀組織存在差異，使得顯微維氏硬度分布極其不均勻。顯微維氏硬度差異與沉淀相種類和尺寸、晶粒尺寸及加工硬化行為有關(guān)。WNZ由于晶粒細(xì)小，有一定的細(xì)晶強化作用，但從沉淀相尺寸考慮，強化效果不及BM，并且由于焊接熱作用，WNZ加工硬化作用消失，即細(xì)晶強化的強化效果不足以彌補沉淀強化和加工硬化效果的減弱，所以WNZ顯微維氏硬度較BM低；TMAZ中MgZn2數(shù)量相對較多，AlCuMg數(shù)量相對較少，雖然發(fā)生一定程度塑性變形，有一定的加工硬化效果，但其沉淀強化和細(xì)晶強化效果不及WNZ，其顯微維氏硬度進(jìn)一步降低；HAZ中MgZn2數(shù)量相對進(jìn)一步增多，AlCuMg數(shù)量相對進(jìn)一步減少，加之缺少加工硬化和細(xì)晶強化的作用，其顯微維氏硬度進(jìn)一步降低。隨著距焊縫中心距離的增大，HAZ受熱影響作用不斷變小，沉淀相以及晶粒粗化程度不斷變小，細(xì)晶強化以及沉淀相強化效果相對不斷增強，顯微維氏硬度又會有所上升。所以，整個FSW接頭顯微維氏硬度分布呈現(xiàn)“W”形，在HAZ與TMAZ交界處，顯微維氏硬度達(dá)到整個接頭的最低值。該區(qū)域成為整個7075鋁合金FSW接頭最薄弱環(huán)節(jié)，這與文獻(xiàn)[14]研究結(jié)果相符。

圖6 轉(zhuǎn)速800 r/min，焊接速度300 mm/min接頭中沉淀相分布

3 結(jié)論

(1)7075鋁合金中沉淀相種類可以通過其高分辨晶格條紋的測量來表征。7075鋁合金中MgZn2沉淀相形狀為棒狀，強化效果相對較差，AlCuMg是橢圓狀，其強化效果相對較好。

(2)WNZ中沉淀相AlCuMg較多，且有一定細(xì)晶強化作用，顯微維氏硬度相對較高；TMAZ中MgZn2相對增多，沉淀強化和細(xì)晶強化效果減弱，顯微維氏硬度降低；HAZ中AlCuMg數(shù)量減少，MgZn2相對進(jìn)一步增多，沉淀強化效果減弱，加之加工硬化和細(xì)晶強化效果較弱，HAZ與TMAZ交界處顯微維氏硬度為整個FSW接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。

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