鎳中間層對鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊接頭微觀組織的影響

董少康，馬宇航，朱浩，王晨霽，曹志龍，王軍

(1.石家莊鐵道大學,石家莊,050043；2.河北省交通工程與環(huán)境協(xié)同發(fā)展新材料重點實驗室,石家莊,050043；3.河北科技大學,石家莊,050018)

0 序言

鋁/鎂復合結(jié)構(gòu)具有密度低、比強度高以及電磁屏蔽效應等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、軌道交通等裝備制造業(yè)領(lǐng)域[1-3].鋁/鎂異種金屬焊接時，接頭易形成脆性IMCs，嚴重降低接頭力學性能，是鋁/鎂異種金屬連接亟待解決的難題[4-5].FSW 屬于固相連接技術(shù)，可有效避免鋁/鎂異種金屬熔化焊時出現(xiàn)氣孔、熱裂紋及熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)軟化等問題[6-8]，同時可抑制接頭中脆性IMCs 的形成，在鋁/鎂異種金屬連接方面最具發(fā)展?jié)摿9-10].

近年來，國內(nèi)外眾多學者對鋁/鎂異種金屬FSW 開展大量研究，主要集中在：一是優(yōu)化焊接工藝，控制轉(zhuǎn)速和焊接速度改善母材塑性流動行為進而改善接頭微觀組織；二是引入中間層元素，對接頭中IMCs 種類、數(shù)量及分布進行調(diào)控，進一步提高接頭強度.研究結(jié)果表明[11-13]，優(yōu)化工藝參數(shù)仍無法有效避免脆性Al-Mg 系IMCs 的生成.因此，近年來，引入中間層元素成為鋁/鎂異種金屬FSW研究領(lǐng)域的熱點.Niu 等人[14]和Gan 等人[15]研究了鋅中間層對鋁/鎂異種金屬FSW 接頭微觀組織分布特征的影響，結(jié)果表明，引入鋅中間層改變了IMCs 種類，接頭中彌散分布的Mg-Zn IMCs 代替了脆性Al-Mg 系IMCs，接頭抗剪強度明顯提高.Zheng 等人[16]研究了錫中間層對鋁/鎂異種金屬FSW 搭接接頭微觀組織和力學性能的影響.結(jié)果表明，含錫接頭中生成了Mg2Sn，取代了Al-Mg 系IMCs，接頭最大斷裂載荷達3.72 kN.Liu 等人[17]探討了鋅中間層厚度對鋁/鎂FSW 接頭抗拉強度的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當中間層厚度為0.05 mm 時，接頭中連續(xù)分布的Al-Mg 系IMCs 被Mg-Zn 系IMCs 和Al-Mg-Zn 三元系共晶組織完全取代，接頭抗拉強度最高.

文獻[18]表明Ni 在Al 和Mg 中具有相當大的溶解度，在640 和506 ℃時分別發(fā)生共晶反應生成Al-Ni 系和Mg-Ni 系IMCs.基于此，引入0.05 mm鎳中間層，采用不同F(xiàn)SW 焊接工藝參數(shù)對鋁/鎂異種金屬進行平板對接，對接頭進行系列微觀組織表征及力學性能測試，探討工藝參數(shù)對接頭中鎳分布狀態(tài)、IMCs 種類與分布及接頭強度的影響規(guī)律.

1 試驗方法

試驗材料選用厚度為4 mm 的AZ31 鎂合金和6061 鋁合金(供貨狀態(tài)T6)，化學成分如表1 所示.焊件尺寸為280 mm × 150 mm × 4 mm，焊接方式為平板對焊，F(xiàn)SW 裝配示意圖如圖1 所示.攪拌針材質(zhì)為H13 鋼，軸肩直徑12 mm，根部直徑5 mm，端部直徑2 mm，針長3.7 mm.鎂合金置于前進側(cè)，焊接工藝參數(shù)如表2 所示.金相試樣用4%的硝酸酒精腐蝕鎂側(cè)10 s，用Keller 試劑(6 mL HCl+2.5 mL HNO3+1 mL HF)腐蝕鋁側(cè)90 s.采用SU8010 型掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對FSW 接頭微觀組織進行分析，借助E1506-C2B 型能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)和D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)對接頭中IMCs 種類進行精確表征.采用CMT5105 型微機控制電子萬能試驗機對接頭進行抗拉強度測試，拉伸速率為0.5 mm/min，為保證實驗數(shù)據(jù)可靠性，每種焊接條件下制備了3 組平行試樣，測試結(jié)果取均值.

表1 6061 鋁合金和AZ31 鎂合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 6061 aluminum alloys and AZ31 magnesium alloys

圖1 引入鎳中間層鋁/鎂異種金屬FSW 裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of Al/Mg dissimilar metal FSW process with introduction of Ni interlayer

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 引入鎳中間層FSW 接頭微觀組織

圖2 為不同轉(zhuǎn)速下引入鎳中間層鋁/鎂FSW 接頭WNZ 微觀組織形貌.從圖2 可以看出，WNZ 內(nèi)母材發(fā)生明顯的塑性流動而形成帶狀組織[19]，轉(zhuǎn)速不同，帶狀組織形貌不同.

當轉(zhuǎn)速為450 r/min 時，由于轉(zhuǎn)速相對較低，熱輸入不足，致使母材塑性流動不充分，在WNZ 內(nèi)鋁合金基體中分布著大量未完全破碎的片狀鎳箔顆粒，如圖2a 所示.當轉(zhuǎn)速增加到550 r/min 時，母材塑性流動能力增強，大片狀鎳箔顆粒數(shù)量有所減少，且分布較為離散，如圖2b 所示.轉(zhuǎn)速增至850 r/min 時，由于熱輸入過高，熱塑性金屬在攪拌針攪拌和軸肩擠壓的雙重作用下沿軸肩邊緣溢出，使得WNZ 內(nèi)母材塑化體積減小，從而在該區(qū)域內(nèi)形成了“隧道型空洞”[4].

在轉(zhuǎn)速650 和750 r/min 時得到鋁/鎂異種金屬FSW 接頭中WNZ 微觀組織上未觀察到明顯缺陷，形成了良好的機械互鎖且鎳元素分布較為均勻，如圖2c 和圖2d 所示.從圖2 可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增加，鎳元素在WNZ 內(nèi)分布愈加均勻，但接頭仍然存在片狀鎳箔顆粒.相比轉(zhuǎn)速650 r/min，轉(zhuǎn)速為750 r/min 的接頭WNZ 中帶狀組織機械互鎖程度更高，而接頭強度很大程度上取決于帶狀組織[20].

圖2 引入鎳中間層FSW 接頭WNZ 微觀組織及鎳元素分布Fig.2 Microstructure and Ni distribution of FSW joint WNZ with Ni interlayer.(a) rotation speed 450 r/min;(b) rotation speed 550 r/min;(c) rotation speed 650 r/min;(d) rotation speed 750 r/min;(e)rotation speed 850 r/min

為進一步探明接頭WNZ 中帶狀組織的微觀組織構(gòu)成，對轉(zhuǎn)速為750 r/min 時接頭WNZ 微觀組織進行SEM 觀察，如圖3 所示.圖3a 為WNZ 近鎂側(cè)邊界處的微觀組織形貌，圖3b 和圖3c 為相應的放大視圖，可以看出，WNZ 由呈明暗交替的黑色條帶和白色IMCs 所構(gòu)成.為確定IMCs 種類，對接頭WNZ 進行XRD 分析，結(jié)果如圖4 所示.從圖4可以看出，鋁/鎂異種金屬FSW 接頭中IMCs 主要為Al3Mg2，Al12Mg17及Mg2Ni，但未發(fā)現(xiàn)Al-Ni 系IMCs.這是由于Al-Ni 系IMCs 的最低生成溫度約為640 ℃[21]，高于鋁/鎂異種金屬正常FSW 工藝條件下的峰值溫度，在焊接過程中難以形成所致.

圖3 轉(zhuǎn)速750 r/min 下FSW 接頭WNZ 微觀組織Fig.3 Microstructure of FSW joint WNZ at rotation speed 750 r/min.(a) bottom of WNZ near Mg side;(b) enlarged view of the selected area in Fig.3a;(c) enlarged view of the selected area in Fig.3b

圖4 鋁/鎂異種金屬FSW 接頭XRD 分析結(jié)果Fig.4 XRD result of Al/Mg dissimilar metal FSW joint

為進一步確定接頭中IMCs 種類，選取圖3 所示5 個位置，對WNZ 典型IMCs 進行了EDS 分析，其EDS 結(jié)果如表3 所示.由表3 可知，白色絮狀I(lǐng)MCs 為Al12Mg17，顆粒狀I(lǐng)MCs 為Mg2Ni，灰色層狀I(lǐng)MCs 為Al3Mg2.綜上所示，鎳中間層可以改變鋁/鎂異種金屬FSW 接頭IMCs 種類，生成顆粒狀Mg2Ni 抑制脆性層狀Al3Mg2的形成.

表3 WNZ 內(nèi)典型IMCs EDS 分析結(jié)果(原子分數(shù)，%)Table 3 EDS results of typical IMCs in WNZ

圖5 為不同焊接工藝參數(shù)下鋁/鎂異種金屬FSW 接頭WNZ 微觀組織形貌.當轉(zhuǎn)速為450 r/min時，大量鎂合金條帶在攪拌針的作用下沉積于WNZ 底部，降低了母材的冶金結(jié)合.當轉(zhuǎn)速增加至550 r/min 時，接頭冶金結(jié)合效果明顯改善，但大量脆性層狀Al3Mg2呈長而直形態(tài)連續(xù)分布于近鎂合金側(cè)熱力影響區(qū)(thermo mechanical affected zone,TMAZ)和WNZ 邊界處，如圖5b 所示.由于Al3Mg2具有較大的室溫脆性[22]，在拉伸加載過程中裂紋往往于此處萌生擴展.此外，當轉(zhuǎn)速增加到650 和750 r/min 時，脆性層狀Al3Mg2數(shù)量顯著減少，且其連續(xù)分布狀態(tài)得到明顯改善，在WNZ 內(nèi)呈斷續(xù)分布，如圖5c 和圖5d 所示.由于Mg2Ni 先于Al3Mg2形成[23]，而Ni 在WNZ 內(nèi)的均勻分布，促進了Mg和Ni 的結(jié)合，從而抑制了脆性層狀Al3Mg2的形成.

圖5 不同轉(zhuǎn)速下引入鎳中間層鋁/鎂異種金屬FSW 接頭WNZ 微觀組織Fig.5 Microstructure of WNZ of Al/Mg dissimilar metal FSW joint with Ni interlayer under different rotation speeds.(a) rotation speed 450 r/min;(b)rotation speed 550 r/min;(c) rotation speed 650 r/min;(d) rotation speed 750 r/min

2.2 引入鎳中間層FSW 接頭力學性能

圖6 為不同轉(zhuǎn)速下引入鎳中間層鋁/鎂異種金屬FSW 接頭工程應力—應變曲線和抗拉強度.從圖6 可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增加，接頭抗拉強度先增大后減小，當轉(zhuǎn)速為750 r/min 時，接頭抗拉強度達到最大值121 MPa.在較低轉(zhuǎn)速下，由于材料混合不充分，致使WNZ 出現(xiàn)“隧道型空洞”，降低了接頭冶金結(jié)合效果.在拉伸過程中，缺陷邊緣處存在應力集中，嚴重影響接頭強度.此外，由圖5b 可知，在近鎂合金側(cè)TMAZ 和WNZ 邊界處存在大量連續(xù)分布的脆性層狀Al3Mg2，為裂紋的萌生和擴展提供了有利場所，加速了接頭斷裂失效，所以其抗拉強度較低，如圖6b 所示.而在轉(zhuǎn)速650 r/min 下得到的FSW 接頭，雖無任何明顯缺陷且脆性Al3Mg2數(shù)量及分布狀態(tài)得到顯著改善，但由于在其WNZ內(nèi)存在較大體積未發(fā)生冶金反應的鋁合金條帶(圖2c)，一定程度上阻礙了母材的有效結(jié)合，機械互鎖效應減弱，使得拉伸加載過程中相鄰區(qū)域變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生應力集中，加速裂紋的萌生和擴展.

圖6 不同轉(zhuǎn)速下FSW 接頭工程應力—應變曲線及抗拉強度Fig.6 Engineering stress —strain curve and tensile strength of the FSW joints under different rotation speeds.(a) engineering stress—strain curve;(b)tensile strength

當轉(zhuǎn)速增加至850 r/min 時，熱塑性變形金屬以“飛邊”形式于軸肩邊緣溢出，使得其在WNZ 形成了“隧道型空洞”缺陷，嚴重降低接頭強度.而當轉(zhuǎn)速為750 r/min 時，接頭WNZ 組織均勻致密，形成了良好的機械互鎖，鎳的分布更加均勻，有效抑制了脆性層狀Al3Mg2的生成，且斷續(xù)的Al3Mg2在WNZ 內(nèi)呈彌散分布，顯著增加了裂紋擴展阻力，因而其具有最高抗拉強度，達到鎂合金的56.9%.

2.3 未引入鎳中間層FSW 接頭組織和力學性能

圖7 為轉(zhuǎn)速750 r/min、焊接速度20 mm/min下鋁/鎂異種金屬FSW 接頭WNZ 微觀組織形貌.從圖7 可以看出，未引入鎳中間層接頭WNZ 存在大量呈長而直形態(tài)連續(xù)分布的脆性層狀Al3Mg2，在拉伸加載過程中裂紋往往形核于此，并依附于脆性IMCs 迅速擴展，嚴重降低接頭強度，接頭抗拉強度僅65 MPa，如圖6b 所示.而引入鎳中間層接頭WNZ 內(nèi)Al3Mg2含量顯著減少，且多為斷續(xù)形態(tài)彌散分布于WNZ 內(nèi)，增大了裂紋擴展阻力.此外，由于Mg-Ni 系IMCs 較于Al-Mg 系IMCs 具有較低的脆硬性[24]，因而其接頭強度較高.

圖7 未引入鎳中間層FSW 接頭WNZ 微觀組織Fig.7 Microstructure of WNZ of FSW joint without Ni interlayer.(a) bottom of WNZ near Mg side;(b)upper of WNZ near Mg side

3 結(jié)論

(1) 與未引入中間層接頭相比，引入鎳改變了鋁/鎂異種金屬FSW 接頭WNZ 中IMCs 種類及分布，WNZ 存在明顯的鎂合金與鋁合金相間的帶狀組織，其上分布著絮狀Al12Mg17、顆粒狀Mg2Ni、層狀Al3Mg2及大小不一的鎳箔顆粒.隨著轉(zhuǎn)速增加，鎳箔顆粒分布愈加均勻，Al3Mg2數(shù)量相對減少，且脆性Al3Mg2由連續(xù)分布逐漸演變?yōu)閿嗬m(xù)分布.

(2) 當轉(zhuǎn)速為750 r/min 時，接頭抗拉強度達到最大值，與未引入中間層接頭相比，引入鎳中間層接頭抗拉強度提高了56 MPa，達到鎂合金的56.9%.