熱處理對攪拌摩擦焊T型2014-T651航空鋁合金力學(xué)性能的影響

肖含月

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 400044）

鋁合金作為典型的輕金屬合金被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。從最新的研究中表明，在先進航空鋁合金中，2000系和7000系鋁合金和新一代 Al-Li合金有了很大的發(fā)展[1，2]。T型結(jié)構(gòu)件由于其獨特的幾何特征在運輸業(yè)中有著不可替代的作用。例如，在航空器的制造中，鋁合金經(jīng)常被焊接成T型來制造面板、橫梁等部件[3]。FSW是一種先進的輕合金連接技術(shù)，能夠解決很多傳統(tǒng)焊接工藝（如激光焊接）中的一系列缺陷，例如氣孔，熱裂等，因此，F(xiàn)SW有望成為航空航天領(lǐng)域中大部分金屬結(jié)構(gòu)的連接工藝[4]。

近年來，對T型2000系鋁合金材料力學(xué)性能的優(yōu)化仍然是一個挑戰(zhàn)。研究表明，焊后熱處理對鋁合金的力學(xué)性能有較大影響。在熱處理中，如析出強化、粗化、取向生長、回復(fù)和再結(jié)晶等都會影響材料的微觀組織，進而決定材料的力學(xué)性能。硬度試驗、拉伸或者彎曲試驗是評價鋁合金攪拌摩擦焊力學(xué)性能的常用方法[5]。然而，熱處理對FSW T型2000系鋁合金力學(xué)性能的影響仍缺乏研究[6]。

在這篇文章中，2014-T651鋁合金板通過攪拌摩擦焊被成功焊接成T型，采用適當(dāng)?shù)臒崽幚磉M行對比。通過彎曲測試和硬度測試研究了不同熱處理溫度對材料力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

本實驗選用2014-T651 鋁合金，通過攪拌摩擦焊將材料焊接成為T型結(jié)構(gòu)（如圖1）。將焊后試樣切成10份（4mm x 6mm x 40mm），編號1到10備用。本實驗的熱處理方案是將試樣分別加熱至400 ℃ 和 535 ℃，保溫7小時，緩慢爐冷至室溫。

圖1 FSW過程的工藝技術(shù)圖

采用MATSUZAWA型維氏硬度計對不同狀態(tài)的試樣（未處理、400℃熱處理、535℃熱處理）進行顯微硬度測試，硬度測試方向平行于焊接線方向，并且跨過T型連接件的不同區(qū)域（BM、SZ、HAZ 和 TMAZ）。硬度測試間隔為1mm，測試負載為0.5HV, 壓頭每次壓力為0.5kg，每點保持5秒。彎曲測試采用Instron 5569 型試驗機（如圖2）。

圖2 彎曲測試：彎曲測試的相關(guān)尺寸和受力示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 硬度試驗

由圖3可知，不同熱處理溫度下，攪拌摩擦焊 T形鋁合金2014-T651在遠離焊縫方向的硬度變化基本相同，各狀態(tài)的硬度曲線均呈“V”形。這些V形硬度曲線表明過渡區(qū)（TMAZ/HAZ）為軟化區(qū)。對于原始樣品（藍色曲線），BM區(qū)域的硬度最高（150 HV）。SZ區(qū)域（焊縫附近）的硬度約為BM區(qū)域的85%（接近130 HV）。軟化區(qū)在TMAZ區(qū)域附近（距離焊縫6mm），約為BM區(qū)域的73%（112HV）。軟化區(qū)的出現(xiàn)可能是由于在攪拌摩擦焊接過程中，摩擦熱引起SZ區(qū)域和TMAZ/HAZ區(qū)域發(fā)生退火，導(dǎo)致出現(xiàn)第二相強化，而遠離焊接區(qū)的BM區(qū)域很少受到影響。第二個原因是TMAZ區(qū)域的晶粒尺寸大于SZ區(qū)域。由于上述兩個原因，過渡區(qū)（TMAZ/HAZ）成為原始試樣的軟化區(qū)。

圖3 2014-T651 鋁合金遠離焊縫方向的維氏硬度變化(不同狀態(tài)下)

除此之外，與未加熱試樣相比，加熱試樣各區(qū)域的硬度均顯著降低，且加熱溫度越高，硬度越低。第一個原因是由于高溫導(dǎo)致晶粒粗化。同一材料的晶粒尺寸越大，硬度越低。其次是具有固溶強化作用的第二相隨溫度升高而變粗或不斷溶解，導(dǎo)致硬度降低。

2.2 彎曲試驗

圖4（a）、（b）和（c）分別顯示了不同熱處理參數(shù)下攪拌摩擦焊 T型接頭沿縱梁的斷裂特征。圖5是這些樣品對應(yīng)的彎曲試驗曲線圖。試樣（a）的斷裂面為特征彎曲斷裂面，原始試樣的彎曲曲線（藍色曲線）為經(jīng)典彎曲曲線，在彎曲試驗中，彈性變形和塑性變形依次發(fā)生，最終屈服斷裂。斷裂試樣（b）為韌性斷裂，其斷裂時間約為試樣（a）的兩倍。試樣在400℃加熱下的塑性變形（紅色曲線）超過5mm且無斷裂發(fā)生，表明400℃的熱處理溫度引起了晶粒的部分再結(jié)晶，使晶粒尺寸變大而不至粗大，具有良好的塑性。試樣（C）在加熱溫度為535℃時發(fā)生脆性破壞，在加載后的短時間（5s）內(nèi)斷裂，修正位移僅為1.26mm（黑色曲線）。試驗結(jié)果表明，當(dāng)熱處理溫度過高（535℃時），導(dǎo)致晶粒粗大且第二相沿晶界析出，降低了材料的韌性，導(dǎo)致脆性斷裂。

圖4 不同熱處理溫度下試樣的彎曲測試斷裂特征照片

圖5 不同熱處理溫度下試樣的彎曲曲線

綜上所述，力學(xué)性能測試結(jié)果表明，焊縫附近是攪拌摩擦焊T型鋁合金2014-T651的斷裂部位，焊后熱處理溫度對材料的彎曲性能有明顯影響。適當(dāng)?shù)募訜釡囟瓤梢蕴岣卟牧系捻g性和延展性，但過熱條件（535℃）會使材料更脆，加速材料的斷裂。

3 結(jié)論

焊后熱處理對試樣各區(qū)域的力學(xué)性能都有明顯的影響。其中，熱處理對SZ區(qū)的影響最大，SZ區(qū)晶粒的再結(jié)晶是主要原因。硬度測試表明，試樣的硬度隨著加熱溫度的升高而降低。熱處理后，BM區(qū)域的硬度分別下降到原始試樣的78%（400℃）和67.8%（535℃）。在彎曲試驗中，焊縫附近是彎曲斷裂的位置。400℃的熱處理溫度提高了鋁合金的塑性，而535℃的過熱溫度會導(dǎo)致過多的粗晶和析出物，從而導(dǎo)致脆性斷裂。