摩擦增材輔助Ti/Al 攪拌摩擦搭接接頭特征分析

呂宗亮，劉景麟，韓振宇，朱棟，萬龍，黃永憲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；2.昆山萬洲特種焊接有限公司,昆山,215300；3.上海凌云工業(yè)科技有限公司凌云汽車技術(shù)分公司,上海,201708)

0 序言

鋁及其合金具有密度低、耐腐蝕性能強(qiáng)、低成本、成形性好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車車身及其散熱部件、軌道交通、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域.同時，鈦及其合金材料也因其在結(jié)構(gòu)輕量化、無磁性、耐高溫、耐腐蝕性能等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，而大量用于航空、航天、航海、武器裝備、原子能產(chǎn)業(yè)等重要項(xiàng)目[1-4].據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國20 世紀(jì)80 年代用于航空航天領(lǐng)域的鈦合金將近2 萬噸/年[5].近年來，國際形勢復(fù)雜多變，各類型國防產(chǎn)品對結(jié)構(gòu)輕量化以提高推動比的要求越來越高，鈦和鋁的用量也逐年增加.為實(shí)現(xiàn)以上兩種金屬“性能互補(bǔ)”，鋁/鈦異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接問題逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[6-10].

攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)，是在材料變形熱、高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件之間的摩擦熱共同作用下，使焊具附近材料處于粘塑性狀態(tài)，粘塑性材料在焊具旋轉(zhuǎn)的帶動下，不斷填充到焊具的后面，并在軸肩的反復(fù)碾壓下形成致密焊縫[11-14].攪拌摩擦焊具有效率高、性能優(yōu)異、應(yīng)力及變形小等特點(diǎn)，對克服異種金屬軟硬差異及界面金屬間化合物帶來的焊接困難具有極大的優(yōu)勢，因此在Al/Fe，Al/Cu，Al/Mg 和Al/Ti 等異種金屬連接中廣泛應(yīng)用，其衍生新方法和界面結(jié)合機(jī)理的研究也越來越受到重視，鈦/鋁異種金屬的攪拌摩擦焊是攪拌摩擦領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.然而，由于鈦合金在高溫下仍具有較高硬度，若采用常規(guī)攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接將會對攪拌頭造成嚴(yán)重磨損[15]，從而影響焊接過程穩(wěn)定性.文中提出利用摩擦增材(friction addition，F(xiàn)A)輔助Ti/Al 異種金屬攪拌摩擦搭接焊(friction addition-friction stir lap welding,FA-FSLW)，一方面保留了固相連接所特有的接頭強(qiáng)度高、焊接熱輸入低等特點(diǎn)，另一方面在焊接過程中攪拌頭作用在待焊鋁板與沉積鋁層之間，而不與鈦板接觸，解決了攪拌頭的磨損問題.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用材料為4 mm 厚的Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金板材、直徑為20 mm 的6082-T6 鋁合金棒材以及3 mm 厚的2A12 鋁合金板材.圖1 為FAFSLW 過程示意圖.摩擦增材輔助Ti/Al 攪拌摩擦焊是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：①利用摩擦增材技術(shù)在表面毛化的鈦合金表面預(yù)沉積一層固相鋁層(厚度為0.1～ 0.5 mm)，作為中間層；②再利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)2A12 鋁合金板與固相鋁層之間的連接，焊接過程中，攪拌針扎入預(yù)沉積固相鋁層但不接觸鈦合金表面，以防止磨損；③采用攪拌針端部膨大，且端面內(nèi)凹的新型攪拌針，增強(qiáng)材料流動，防止缺陷的產(chǎn)生，增大界面反應(yīng)區(qū)域面積.

圖1 FA-FSLW 過程示意圖Fig.1 Process schematic of FA-FSLW.(a) schematic diagram of surface roughening and friction additive process; (b) schematic of tool position;(c) novel large-end pin

試驗(yàn)完成后采用線切割機(jī)沿垂直于焊接方向切取長度約為20 mm 的焊接接頭，并制成試樣，采用Olympus-MPG3 型光學(xué)顯微鏡(optical microscopy,OM)對進(jìn)行精拋光和表面腐蝕的試樣進(jìn)行觀察和圖像采集，選擇接頭截面的不同區(qū)域分析接頭形態(tài)、材料流動、接頭缺陷等特征以及拉伸斷口顯微形貌等，并采用蔡司MERLIN Compact 型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和FEI Talos F200X 型透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)分析其界面行為.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀特征分析

如圖2 所示，接頭橫截面宏觀包括上焊核區(qū)(upper weld nugget zone,UWNZ)、下焊核區(qū)(downer weld nugget zone,)、熱力影響區(qū)(thermo-mechanically affected zone,TMAZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)、鋁板/鋁沉積層/鈦板雙界面區(qū)(interfacial zone,IZ)和母材(base material,BM) 6 個區(qū)域.由于采用的新型攪拌頭，焊接完成后在攪拌針膨大端部的作用下，接頭焊核區(qū)呈“啞鈴”狀，而洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)則主要存在于“啞鈴”的下端，與此對應(yīng)，熱力影響區(qū)緊鄰焊核區(qū)，呈“河流”態(tài).在焊核區(qū)底部，沉積層鋁合金與鋁板形成冶金結(jié)合，與基板TC4 共同組成“三明治”結(jié)構(gòu)的界面區(qū).與采用傳統(tǒng)攪拌摩擦焊對應(yīng)的界面區(qū)寬度(藍(lán)色區(qū)域)IZ′相比，采用新型攪拌針后界面區(qū)明顯變大，即IZ＞IZ′，這將為接頭強(qiáng)度的大幅提高奠定基礎(chǔ).由于攪拌針在焊接過程中扎入預(yù)沉積鋁層內(nèi)部，在攪拌針端部的摩擦剪切作用下，處于粘塑性狀態(tài)的沉積層鋁材料與上部的鋁板材料混合，形成“機(jī)械嚙合”效應(yīng).在界面區(qū)的兩側(cè)邊緣，由于焊縫區(qū)塑化金屬受到攪拌頭的驅(qū)動和周圍冷金屬的阻礙，發(fā)生了連接界面在厚度方向和水平方向的遷移，稱為遷移界面.在接頭承受載荷時，該遷移界面類似于裂紋缺陷，不僅會減小搭接接頭的有效承載寬度和板厚，還會在遷移界面的尖端引起缺口效應(yīng)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重時會較大程度影響接頭性能.

圖2 FA-FSLW 接頭宏觀形貌Fig.2 Macrostructure of FA-FSLW joint

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，攪拌針表面螺紋形態(tài)是驅(qū)動焊縫塑化金屬在接頭厚度方向遷移的主要因素.由于攪拌針由“螺紋針體+下端膨大體”兩部分組成，其中帶螺紋的針體完全位于上層鋁板之中，故而在試驗(yàn)中螺紋將不再是引起界面遷移的主要因素.相對于沉積層鋁材料而言，攪拌針下端內(nèi)凹面的作用，類似于內(nèi)凹軸肩，其對沉積層鋁材料同時具有向下和向內(nèi)的作用力，攪拌針尖端邊緣處的材料具有向下和向內(nèi)的流動，從而形成界面的遷移，如圖3 所示.

圖3 界面遷移示意圖Fig.3 Sketch of interface off-set

定義前進(jìn)側(cè)(advancing side,AS)界面遷移距離為Da，相應(yīng)的后退側(cè)(retreading side,RS)界面遷移距離為Dr.得到的界面遷移參數(shù)隨c(轉(zhuǎn)速ω/焊接速度v)的變化如圖4 所示.由于FSW 過程的焊接熱輸入難以準(zhǔn)確用公式表征，文中的c為ω與v的比值，僅代表焊接熱輸入的變化趨勢.從圖4可見，隨焊接熱輸入的增大，界面遷移程度越小.

圖4 接頭界面遷移形貌Fig.4 Feature of interface off-set

2.2 FA-FSLW 接頭抗拉強(qiáng)度分析

圖5 為保持下壓量d=0.2 mm，攪拌頭傾角2°一定，改變c=6，10，12，20 時分別進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊，通過對比試驗(yàn)來研究接頭界面橫向遷移量總和(Dr+Da)與接頭力學(xué)性能的關(guān)系.隨界面向焊縫中心的遷移量的增加，接頭性能大致呈“線性”降低，且接頭主要斷裂于沉積層鋁與上層鋁板之間的界面處，說明當(dāng)c≤12 時，沉積層鋁與上層鋁板之間的連接強(qiáng)度相對較弱.當(dāng)c=20 時，界面的橫向遷移較小，有效連接寬度最大，以致于出現(xiàn)了斷裂發(fā)生于上層鋁板熱影響區(qū)的現(xiàn)象，如圖6 所示.得到在寬度為20 mm 下能夠承載12.2 kN 的接頭，這也是截止目前所有文獻(xiàn)中，在同等尺寸下承載能力最高的鈦/鋁異種金屬接頭.

圖5 接頭承載能力與界面遷移量的關(guān)系Fig.5 Relationship between load capacity and interface off-set

圖6 斷裂形態(tài)Fig.6 Fracture morphology.(a) c=6; (b) c=10; (c) c =12; (d) c=20

2.3 FA-FSLW 接頭界面分析

2.3.1 Al/Al 界面分析

圖7 為在不同焊接工藝參數(shù)下接頭兩側(cè)的宏觀斷裂形貌.從整體上看，斷口可分為兩部分：位于后退側(cè)的白亮區(qū)和位于前進(jìn)側(cè)的深色區(qū).斷口上下兩側(cè)宏觀顏色產(chǎn)生差別，一方面可能是因?yàn)樵谶@兩個區(qū)域裂紋的擴(kuò)展速度不同，另一方面可能是在前進(jìn)側(cè)發(fā)生兩種鋁合金材料的混合，斷口兩側(cè)材料不同，且斷口處坑凹不平，粗糙度增大，在顏色上表現(xiàn)為深色.除此之外，在兩側(cè)斷口表面均明顯可見排列均勻的弧形紋，其形態(tài)與焊縫表面的弧形紋相同.

圖7 Al-Al 攪拌摩擦搭接接頭的兩種連接形式Fig.7 Two joining mode at Al-Al FSW lap joint.(a) cross section of the joint; (b) macro morphology of fracture

在Al-Al 搭接過程中，采用膨大型攪拌針進(jìn)行焊接時，攪拌針下部膨大結(jié)構(gòu)部分扎入沉積層鋁中，其后側(cè)將對沉積鋁層起到擠壓、摩擦、強(qiáng)變形等作用，除去其表層氧化物的同時，形成界面弧形紋，當(dāng)攪拌針向前移動時，在攪拌針后側(cè)留下“空腔”狀低壓空間，而周圍處于粘塑性狀態(tài)的鋁材料將在壓力差作用下迅速將空腔填滿，并與空腔壁的鋁形成冶金結(jié)合.此時，界面材料從后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)流動，會產(chǎn)生類似焊縫表面的弧形紋特征，即同時具有向下流動的趨勢，所以上述界面弧形紋形成的同時，位于后退側(cè)的部分鋁隨著攪拌針端部內(nèi)凹面的旋轉(zhuǎn)一并流向前進(jìn)側(cè)，并在前進(jìn)側(cè)堆積進(jìn)而產(chǎn)生較高壓力.由于攪拌針尖端向下的材料幾乎處于冷態(tài)，阻礙了前進(jìn)側(cè)“高壓材料”向下流動，所以當(dāng)攪拌針向前移動露出“低壓空腔”后，前進(jìn)側(cè)的“高壓材料”也會向上流動，并與來自上層鋁板向下流動的材料發(fā)生混合，故而在前進(jìn)側(cè)形成冶金結(jié)合的同時，還因兩材料的混合產(chǎn)生了“機(jī)械嚙合”.所以，對于Al-Al 攪拌摩擦搭接的后退側(cè)主要以冶金結(jié)合為主，而在前進(jìn)側(cè)則以冶金結(jié)合+機(jī)械嚙合綜合作用，從而大幅度提升了接頭的承載能力.

2.3.2 Ti/Al 界面分析

Ti/Al 界面處存在厚度約為50 nm 的連續(xù)層狀結(jié)構(gòu)，如圖8 所示.為進(jìn)一步分析界面處元素的擴(kuò)散行為，對局部區(qū)域進(jìn)行線掃描分析，如圖9 所示.由圖9 可知，在Ti/Al 界面區(qū)域處，Al,Si,Ti 等元素在FA 工藝及后續(xù)FSLW 過程中，發(fā)生了較為復(fù)雜的綜合反應(yīng)：一方面，鋁沉積層中的Si 元素在焊接過程中向界面明顯偏聚，與Ti,Al 元素發(fā)生反應(yīng)，形成厚度約為50 nm 的Ti-Al-Si 三元金屬間化合物.可見Si 元素的分布對Ti/Al 固相連接過程的界面反應(yīng)具有重要影響.在TC4/Al-12Si 釬焊研究過程中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象[16]，分析認(rèn)為隨著焊接溫度升高及界面處Si 元素的擴(kuò)散聚集，納米級Ti7Al5Si12三元金屬間化合物首先形成.隨著溫度進(jìn)一步升高，可能發(fā)生Ti7Al5Si12向TiAl3+Si 的轉(zhuǎn)變，其中Si 元素在TiAl3中以固溶的形式存在.當(dāng)溫度進(jìn)一步升高及反應(yīng)時間增加時，Ti 原子與Al 原子直接反應(yīng)生成TiAl3金屬間化合物.由于FA-FSLW 過程中峰值溫度低(低于500 ℃)，高溫保持時間極短，在Ti/Al 界面處發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散和Ti-Al-Si 三元相的冶金反應(yīng).由于該反應(yīng)層厚度極薄(50 nm)，該反應(yīng)層的形成有利于接頭性能的提升.另一方面，由圖9 的曲線走勢與圖像的對應(yīng)位置關(guān)系，還發(fā)現(xiàn)鈦合金基板中的Ti,V 等元素在鋁中的擴(kuò)散深度比 Al 元素在鈦合金基板中的擴(kuò)散深度大.這是因?yàn)殇X合金耗材棒在沉積時發(fā)生劇烈的塑性變形，產(chǎn)生大量的位錯和空隙等，且鋁合金界面處一直處于較高溫狀態(tài)，眾多因素均有利于Ti,V 等元素?cái)U(kuò)散；并且，由于鈦合金導(dǎo)熱能力很差(熱導(dǎo)率為鋁合金的1/16)，在極短的接觸時間內(nèi)下(1～ 2 s)熱量來不及向內(nèi)部材料傳導(dǎo)，只在界面處 Al 與 Ti 之間形成較大溫度梯度，所以，界面處富集的大多數(shù)熱量通過鋁合金棒向外傳導(dǎo)，而沒有進(jìn)一步向鈦合金基體傳導(dǎo)，導(dǎo)致鈦合金內(nèi)部一直處于冷態(tài).處于基板表面的薄層微量Ti 原子在摩擦力和強(qiáng)變形作用下被激活，隨粘塑性的鋁材料的旋轉(zhuǎn)流動進(jìn)入沉積層鋁中，同時鋁中存在的大量位錯和空隙等缺陷加快了鈦向鋁中的擴(kuò)散速度.Luo 等人[17]采用冷壓焊制備多層 Ti/Al 擴(kuò)散偶，在 Al 的熔點(diǎn)以下進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，其結(jié)果也證實(shí)了Ti 元素向Al 元素側(cè)的擴(kuò)散能力高于Al 元素向Ti 元素側(cè)的擴(kuò)散能力這一結(jié)論.

圖8 Ti/Al 界面元素分布情況Fig.8 Eldments distribution at Ti/Al interface.(a) over all view; (b) Al; (c) Ti; (d) Si; (e) V; (f) Mg

圖9 Ti/Al 界面線掃描結(jié)果Fig.9 Line scan at Ti/Al interface

3 結(jié)論

(1) 通過FA-FSLW 的方法在實(shí)現(xiàn)攪拌頭零磨損的情況下，得到抗拉載荷為12.2 kN 的接頭.

(2) FA-FSLW 接頭橫截面宏觀包括上焊核區(qū)、下焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)、鋁/鋁沉積層/鈦界面區(qū)和母材6 個區(qū)域.采用攪拌針下部膨大的新型攪拌針后界面區(qū)明顯變大，即IZ＞IZ′，這將為接頭強(qiáng)度的大幅提高奠定基礎(chǔ).

(3) Al-Al 攪拌摩擦搭接的后退側(cè)主要以冶金結(jié)合為主，而在前進(jìn)側(cè)則以冶金結(jié)合+機(jī)械嚙合綜合作用，從而大幅度提升了接頭的承載能力.

(4) Ti/Al 界面處發(fā)生了Si 元素的偏聚，形成了納米級Ti-Al-Si 三元金屬間化合物.且界面處Ti 元素向Al 元素側(cè)的擴(kuò)散能力高于Al 元素向Ti 元素側(cè)的擴(kuò)散能力.