添加高熵合金粉末AZ31B鎂合金/304 不銹鋼電阻點焊接頭組織和力學性能

成家龍，程東海，亓安泰，肖 雄

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

鎂/鋼異種材料焊接具有減輕車身質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和降低燃油消耗的優(yōu)點，在汽車工業(yè)中具有重要意義［1］。然而，Mg，F(xiàn)e 元素不反應不互溶，鎂/鋼異種材料難以直接相連。目前，鎂/鋼異種材料連接主要是通過添加中間層和鍍層的方式［2-5］，在接頭界面處形成Fe4Al13，F(xiàn)eAl 和Fe2Al5等脆性金屬間化合物實現(xiàn)冶金連接，但脆性金屬間化合物層是接頭力學性能的薄弱區(qū)［6-9］。

高熵合金（HEA）是多組元合金，可抑制界面脆性金屬間化合物層的形成，促進固溶體的產(chǎn)生，在異種材料焊接方面具有很好的應用潛力，已經(jīng)在鋁/鋼、鈦/鋼以及銅/鈦等異種材料焊接中有研究［10-11］。FeCoNiCrMn 高熵合金的成分包含了鋼母材主要成分，Ni 元素能夠與鎂母材主要成分發(fā)生反應生成化合物，其具有優(yōu)良的塑性、高強度和超塑度，以及良好的斷裂韌性，其微觀組織為面心立方（FCC）（Fe，Ni）固溶體［12-15］。添加FeCoNiCrMn 高熵合金為夾層，有望解決鎂和鋼的熔點等物理性能相差懸殊，且兩者之間的固溶度較低，難以發(fā)生冶金反應的問題。

本工作以FeCoNiCrMn 高熵合金作為夾層，對AZ31B 鎂合金和SUS304 不銹鋼異種材料進行電阻點焊，分析過渡區(qū)與兩側母材的反應擴散行為，檢測接頭性能并優(yōu)化焊接工藝，為鎂/鋼異種材料焊接的實際應用提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

選用AZ31B 鎂合金（Mg-3Al-1Zn-0.2Mn-0.1Si，質(zhì)量分數(shù)/%，下同）和SUS304 不銹鋼（Fe-19Cr-9Ni-2Mn-1Si）為母材，試樣尺寸為80 mm×20 mm×1.5 mm，搭接長度為20 mm。中間層材料為FeCoNiCrMn高熵合金粉末（20Fe-20Co-20Ni-20Cr-20Mn），密度為8.06 g/cm3，實驗中添加中間層的厚度為0.25 mm。

采用DZ-3×100 三相次級整流電阻點焊機點焊，實驗前需將高熵合金粉末放置在真空干燥箱（DZF-6020AB）中120 ℃條件下干燥4 h，然后將方形卡槽（卡槽面積為2 cm×2 cm）放置在不銹鋼母材搭接區(qū)域，最后將0.806 g 的高熵合金粉末置于方形卡槽內(nèi)鋪平即可。焊接工藝：焊接電流I=18.2~22.5 kA，焊接時間t=15~35 周波，焊接壓力P=2.0~10.6 kN。采用PZ-3020MZ 型影像測繪儀對接頭截面形貌進行分析。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）和X 射線衍射儀（XRD）對接頭過渡區(qū)與兩側母材界面的顯微組織及物相進行分析。在室溫下采用WDW-100D 型電子萬能試驗機對接頭進行拉剪實驗，拉伸速度設定為0.2 mm/min。拉伸剪切試樣的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the tensile specimen

2 結果與分析

2.1 接頭的組織分析

2.1.1 接頭宏觀形貌及過渡區(qū)近域組織

圖2 為AZ31B/FeCoNiCrMn/SUS304 電阻點焊接頭橫截面的宏觀形貌?？梢钥吹剑瑑赡覆闹虚g存在明顯、穩(wěn)定的過渡區(qū)，接頭成形好，沒有裂紋、氣孔等缺陷。表明高熵合金粉末的加入能夠在熔核界面形成連接過渡層，并很好地與兩側母材進行反應擴散，實現(xiàn)高質(zhì)量焊接。

圖2 接頭截面宏觀形貌（I=20.5 kA，t=25 周波，P=6.84 kN）Fig.2 Macroscopic morphology of the joint section（I=20.5 kA， t=25 cycle， P=6.84 kN）

圖3 為接頭過渡區(qū)及近域組織，從圖可見過渡區(qū)由FeCoNiCrMn 顆粒和其間的鎂合金組成，鎂合金包裹住高熵合金顆粒形成過渡層。這是因為在電阻焊接熱循環(huán)下，低熔點的鎂合金先熔化，高熔點的高熵合金顆粒嵌進鎂合金液體，并在顆粒表面發(fā)生原子互擴散和界面反應，冷卻凝固后形成連接鎂側界面（A，B位置）。不銹鋼/過渡區(qū)連接界面平滑，連接分為兩種，即不銹鋼與高熵合金連接以及與鎂合金液體反應。在焊接壓力的作用下，界面處部分高熵合金和不銹鋼發(fā)生元素擴散而緊密咬合在一起（C 位置）；另外由于鋼的熔點高，在焊接熱循環(huán)中鋼不熔化，因此界面平直，過渡區(qū)中熔化的鎂合金在鋼上鋪展?jié)櫇駥崿F(xiàn)連接（D 位置）。

圖3 接頭過渡區(qū)及近域組織Fig.3 Microstructure of the joint transition zone and near-domain area

2.1.2 界面反應擴散行為

圖4 為鎂合金側界面組織及EDS 線掃描結果，從圖4（a）可見，鎂合金與高熵合金顆粒之間存在金屬間化合物層，各點成分分析結果見表1，線掃描如圖4（c）。由表1 點掃描可見，化合物成分元素（點2）與高熵合金固溶體內(nèi)部成分（點3）比較，存在Mg，Al 元素，而且Al 含量比鎂合金母材Al 含量高（點1），F(xiàn)e 元素也比其他元素含量高，表明金屬間化合物為Fe4Al13。圖4（c）線掃描可見，從鎂合金到高熵合金，Mg 元素含量不斷降低，高熵合金中的Fe，Co，Ni，Cr，Mn 元素含量不斷上升，在鎂側這些元素含量幾乎為零，在界面層處，Mg 元素和Fe，Co，Ni，Cr，Mn 元素含量呈梯度變化，并呈現(xiàn)相反的趨勢，說明鎂合金與高熵合金在界面層存在互擴散，生成脆性Fe4Al13金屬間化合物。

表1 圖4（a），（b）中各點EDS 分析結果（原子分數(shù)/%）Table 1 Results of EDS analysis of points in fig.4（a），（b）（atom fraction/%）

圖4 鎂合金側界面組織及EDS 線掃描結果 （a）A 區(qū)；（b）B 區(qū)；（c）EDS 線掃描結果Fig.4 Microstructure of magnesium alloy side interface and EDS line scanning results （a）area A；（b）area B；（c）EDS line scan results

圖4 （b）為過渡區(qū)顆粒之間的組織，可以看出，高熵合金顆粒間存在鎂合金，表明高熵合金顆粒嵌進鎂合金液體，并與鎂合金發(fā)生反應擴散。各點成分（表1）可以看到，鎂合金處（點4）Al 元素含量高于鎂母材中的Al 元素，生成了Mg17Al12相。Mg17Al12相存在的原因是在熔核形成過程中，由于顆粒之間熱輸入大，加熱時間短，冷卻速度快，使得Mg17Al12共晶物在鎂合金中的固溶度大大降低，析出的Mg17Al12共晶物在晶體中所占比例增大［16］。反應層處（點5）Al 元素含量遠高于鎂母材中的Al 元素，形成Fe4Al13金屬間化合物。

因此，過渡區(qū)與鎂合金母材以Fe4Al13，Mg17Al12等脆性金屬間化合物連接，一方面化合物的生成使得界面發(fā)生冶金反應實現(xiàn)連接；另一方面當化合物厚度較大時將影響接頭力學性能，使得此區(qū)域成為接頭性能薄弱區(qū)。

圖5 為不銹鋼側邊界組織及EDS 線掃描結果。其中圖5（a）為高熵合金顆粒與不銹鋼母材界面組織，各點成分分析結果見表2，界面線掃描如圖5（c）。從圖5（a）可以看出，高熵合金與不銹鋼緊密咬合在一起，界面附近區(qū)域元素比例與高熵合金成分（點1）元素比例接近，形成（Fe，Ni）固溶體。界面處的點2 位置含有原子分數(shù)為58.46% Fe，7.37% Co，11.22% Ni，15.99% Cr，6.96% Mn，高熵合金成分含量的比例與所添加的高熵合金成分比例相近，表明界面處存在部分（Fe，Ni）固溶體；剩余Fe，Cr，Ni 元素的比例接近鋼母材主要元素比例，表明界面處也存在不銹鋼。圖5（c）線掃描中，從高熵合金到不銹鋼，Al 元素含量為零，高熵合金成分比例保持穩(wěn)定，沒有生成其他化合物。而在界面層處，F(xiàn)e 元素和Cr，Ni，Mn，Co 元素含量呈梯度變化，并呈現(xiàn)相反的趨勢，表明界面處發(fā)生了元素互擴散，且沒有脆性過渡區(qū)的形成，形成的是擴散連接，具有優(yōu)良的力學性能。

表2 圖5（a），（b）中各點EDS 分析結果（原子分數(shù)/%）Table 2 Results of EDS analysis of points in Fig.5（a），（b）（atom fraction，%）

圖5 不銹鋼側界面組織及EDS 線掃描結果（a）C 區(qū)；（b）D 區(qū)；（c）EDS 線掃描1 結果；（d）EDS 線掃描2 結果Fig.5 Microstructure and EDS line scanning of stainless steel side interface（a）area C；（b）area D；（c）EDS line scan 1 results；（d）EDS line scan 2 results

圖5 （b）為鎂合金與不銹鋼界面組織，點4 成分如表2，線掃描如圖5（d）所示。從圖5（b）可見，鎂合金與不銹鋼界面之間形成金屬間化合物。界面成分表明（點4），不銹鋼/鎂合金界面層的Al 元素含量遠高于鎂合金母材中Al 元素含量，說明Al 元素在界面層富集并參與反應。由線掃描結果可知，從鎂到不銹鋼，Mg元素含量不斷降低直至零，F(xiàn)e 元素含量由零不斷升高至趨于鋼母材Fe 元素含量，在鎂與不銹鋼界面層處Mg，F(xiàn)e 元素含量呈現(xiàn)相反的趨勢，存在互擴散現(xiàn)象，導致Fe 元素與Al 元素發(fā)生冶金反應生成Fe4Al13金屬間化合物，此部分為化合物連接。

由以上可知，過渡區(qū)與不銹鋼母材界面處存在高熵合金/不銹鋼擴散連接以及鎂合金/不銹鋼化合物連接兩種連接方式，對比鎂合金/過渡區(qū)界面純化合物連接，其有效提升接頭性能。

2.2 接頭的力學性能

圖6 為焊接工藝對接頭拉剪載荷F的影響。整體來看，添加高熵合金的接頭拉剪載荷遠高于未添加高熵合金的接頭。這主要是因為直接焊接時Fe，Mg 元素不互溶也不反應。鎂、鋼兩母材只能依靠微量元素的反應實現(xiàn)連接，接頭強度低。而加入高熵合金粉末后，在兩母材中間形成過渡連接區(qū)，過渡區(qū)分別與兩母材發(fā)生連接、反應，進而接頭性能高，在18.2~22.5 kA，15~35 周波，2.0~10.6 kN 的實驗工藝范圍內(nèi)，接頭拉剪強度在3.2 kN 以上，而未添加高熵合金鎂/鋼點焊接頭拉剪載荷最高只有1.127 kN。圖6（a），（b）為焊接電流、焊接時間對接頭性能的影響?？梢钥吹?，隨著焊接電流、焊接時間增加，接頭的拉剪載荷均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為當焊接電流小或者焊接時間短時，接頭熱輸入量較低，高熵合金粉末與鎂合金的包裹需要時間，過渡區(qū)形成不穩(wěn)定，與兩母材的界面連接不充分，承載能力較弱，使得接頭拉剪性能較低。隨著熱輸入量的增大，鎂合金熔化充分，包裹粉末形成過渡區(qū)，鎂合金側界面反應逐漸充分，鋼側連接逐漸穩(wěn)定，使得接頭拉剪載荷得到有效提高。當繼續(xù)增大熱輸入量時，熱輸入量過高時，界面化合物層變厚從而降低接頭的承載能力，在20.5 kA、25 周波時接頭性能達到最大值5.605 kN。圖6（c）為焊接壓力對接頭性能的影響。隨著焊接壓力的增加，接頭拉剪載荷也是先增大后減小。當焊接壓力較小時，接觸電阻大且散熱差，從而形成內(nèi)部飛濺誘發(fā)縮孔缺陷，嚴重降低了接頭拉剪載荷；隨著焊接壓力增大，接觸情況改善，降低接頭熱輸入量，減少了金屬間化合物的生成，接頭承載能力得到改善；進一步增大焊接壓力，點焊熱輸入量大大降低，接頭界面有效連接區(qū)域面積減小，且高焊接壓力下鎂側母材變形嚴重，導致接頭承載能力下降。綜上可得添加高熵合金能夠提升接頭的力學性能，添加高熵合金鎂/鋼點焊接頭最大拉剪載荷為5.605 kN，相比未添加高熵合金鎂/鋼點焊接頭拉剪載荷提高了397%。并且根據(jù)相關文獻［17-18］可知，鎂/鋼直接電阻點焊接頭的最大拉剪載荷都低于添加高熵合金鎂/鋼點焊接頭的最大拉剪載荷，進一步證明了添加高熵合金能夠提升接頭的力學性能。

圖6 不同工藝條件對點焊接頭拉剪載荷的影響（a）焊接電流；（b）焊接時間；（c）焊接壓力Fig. 6 Effect of different process conditions on the pulling and shearing loads of the spot welded joints（a）welding current；（b）welding time；（c）welding force

圖7 為接頭的斷口兩側形貌。從圖7（a）可見鎂合金側斷口形貌呈凹陷狀，而由圖7（b）可知高熵合金側斷口形貌呈凸起狀，兩側斷口形貌互補，并且可以觀察到撕裂棱和大量的韌窩，屬于脆性和韌性混合斷裂。圖8 為斷口的XRD 圖譜，從圖8（a）可見鎂合金側存在Mg17Al12脆性金屬間化合物相，而由圖8（b）可知高熵合金側還存在Fe4Al13脆性金屬間化合物相，進一步驗證了上述EDS 點掃描的結果，表明Mg17Al12，F(xiàn)e4Al13脆性金屬間化合物相的形成是導致接頭斷裂發(fā)生在鎂合金側界面處的主要原因。而高熵合金過渡層形成了大量（Fe，Ni）固溶體，阻礙了Al 元素富集在鋼側發(fā)生反應，減少Fe4Al13脆性金屬間化合物的生成，有效提高了接頭的力學性能。

圖8 點焊接頭的XRD 圖譜 （a）鎂合金側；（b）高熵合金側Fig.8 XRD patterns of the spot welded joints （a）magnesium alloy side；（b）high entropy alloy side

3 結論

（1）包含F(xiàn)eCoNiCrMn 顆粒的過渡區(qū)成功連接鎂、鋼兩母材。鎂合金側界面主要是顆粒周圍反應生成的Fe4Al13金屬間化合物；而不銹鋼側邊界主要由（Fe，Ni）固溶體和Fe4Al13金屬間化合物兩部分組成。

（2）添加FeCoNiCrMn 高熵合金的鎂/鋼電阻點焊接頭拉剪載荷F隨焊接電流I和焊接壓力P的增加，焊接時間t的延長均表現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在18.2~22.5 kA，15~35 周波，2.0~10.6 kN 的實驗工藝范圍內(nèi)，接頭拉剪強度在3.2 kN 以上，最大拉剪載荷為5.605 kN，相比未添加高熵合金鎂/鋼點焊接頭拉剪載荷提高了397%。

（3）Mg17Al12，F(xiàn)e4Al13脆性金屬間化合物的生成是導致接頭斷裂發(fā)生在鎂合金側界面處的主要原因，而高熵合金過渡層形成了大量（Fe，Ni）固溶體，阻礙了Al 元素富集在鋼側發(fā)生反應，減少Fe4Al13脆性金屬間化合物的生成，有效提高了接頭的力學性能。