2060搅拌摩擦焊对接接头显微组织与析出相分析.pdf

第２２卷第５期２０１４年１０月材料科学与工艺ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹｌｌＶｏｌ２２ｌｌｌ５Ｏｃｔ．２０１４２０６０搅拌摩擦焊对接接头显微组织与析出相分析杨模聪１，孙中刚１，马锐１，孟强２，陈洁１（１．上海飞机制造有限公司，上海２００４３６；２．中国搅拌摩擦焊中心，北京１０００２４）摘要：本文选用Ａｌ－Ｌｉ－Ｃｕ－Ｍｇ系铝锂合金２０６０，开展搅拌摩擦焊对接接头显微组织与析出相演变规律研究．搅拌摩擦焊对接接头，呈现典型的母材、热影响区、热机影响区和焊核区四区分布特点．母材为双向板条组织，在α板条中有大量三角形ＡｌＣｕ２Ｍｎ化合物析出，但在其它相区，当受到热影响时，该相消失；热影响区组织粗大，热机影响区晶粒受到机械力作用，前进侧拉长，后退侧破碎；焊核区为等轴晶组织，出现了高温析出相ＡｌｘＣｕｘＭｎ，均布于整个焊核区域．接头显微硬度在母材区最高，热影响区最低，焊核区低于母材，稳定在１１５ＨＶ．关键词：铝锂合金；搅拌摩擦焊；显微组织；相；显微硬度中图分类号：ＴＧ４５６．９文献标志码：Ａ文章编号：１００５－０２９９（２０１４）０５－０１１９－０５Ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｐｈａｓｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ２０６０ｂｕｔｔｊｏｉｎｔＹＡＮＧＭｏｃｏｎｇ１，ＳＵＮＺｈｏｎｇｇａｎｇ１，ＭＡＲｕｉ１，ＭＥＮＧＱｉａｎｇ２，ＣＨＥＮＪｉｅ１（１．ＳｈａｎｇｈａｉＡｉｒｃｒａｆｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３６Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＦＳＷＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｐｈａｓｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｂｕｔｔｊｏｉｎｔｏｆｔｈｅＡｌ－Ｌｉ－Ｃｕ－⁃⁃Ｍｇｂａｓｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｌｉｔｈｉｕｍａｌｌｏｙ２０６０ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｂｕｔｔｊｏｉｎｔ⁃ｃｏｕｌｄｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｏｕｒｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎｓ：ｂａｓｅｍｅｔａｌｚｏｎｅ，ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ｔｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅａｎｄｗｅｌｄｎｕｇｇｅｔｚｏｎｅ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｌａｔ，ｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｓｏｆｔｒｉａｎｇｕｌａｒＡｌＣｕ２Ｍｎｃｏｍｐｏｕｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄｆｒｏｍαｌａｔｈ，ｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｄｉｓａｐｐｅａｒｗｈｅｎｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｈｅａｔａｃｔｉｏｎｉｎｏｔｈｅｒｚｏｎｅｓ．⁃Ｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｓｈｏｗｅｄｃｏａｒｓｅｃｒｙｓｔａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ａｎｄｇｒａｉｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｗａｓｃｈａｎｇｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｏｒｃｅｉｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ｓｔｒｅｔｃｈｅｄａｔｔｈｅａｄｖａｎｃｉｎｇｓｉｄｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｔｔｈｅｒｅｔｒｅａｔｉｎｇｓｉｄｅ．Ｔｈｅｗｅｌｄｎｕｇｇｅｔｚｏｎｅｗａｓｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄｐｈａｓｅＡｌｘＣｕｘＭｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｊｏｉｎｔｒｅｇｉｏｎｕｎｉｆｏｒｍｌｙ．Ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ⁃ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌｚｏｎｅ，ａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｓｔｖａｌｕｅｗａｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｗｅｌｄｎｕｇｇｅｔｚｏｎｅｓｔｅａｄｙｉｎｇａｔ１１５ＨＶ，ａｌｉｔｔｌｅｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｌ－Ｌｉａｌｌｏｙ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｈａｓｅ；ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ收稿日期：２０１３－０８－２８．作者简介：杨模聪（１９８２－），男，硕士．通信作者：杨模聪⁃，Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｏｎｇｍｏ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ．锂是最轻的金属元素，密度为０．５３４ｇ／ｃｍ３，仅为铝的１／５，研究表明，铝合金中每添加１％的锂（质量分数），合金密度降低３％，弹性模量提高６％，因此，受到了工业界广泛重视．铝锂合金自二十世纪初发明以来，已历经三代．第三代铝锂合金，在解决了第一代生产工艺难度大，韧性差，缺口敏感性高，第二代各项异性严重、塑性韧性较低、热暴露后严重损失韧性、不可焊、铆接缺口效应明显、强度低等这一系列问题后，适当降低了合金中锂元素的含量，使合金在保持各方面性能不降低的同时，各向异性得到了较好解决，特别是Ｃｕ／Ｌｉ比提高以后，材料的焊接性能得到极大改善．铝锂合金代替传统的铝合金，能够使结构减重１０％～１５％，刚度提高１５％～２０％，因此，在航空、航天领域得到了广泛应用［１－５］．搅拌摩擦焊接技术（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ，简称ＦＳＷ）是英国焊接技术研究所⁃（ＴｈｅＷｅｌｄｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，简称ＴＷＩ）于１９９１年发明的一种固相连接技术．与传统熔化焊接技术相比，搅拌摩擦焊工艺具有焊接变形小、焊接质量高、无污染等诸多优点，是一种高效、清洁的固相连接方式．因此，该技术被誉为二十一世纪最具前景的焊接方法之一．迄今为止，搅拌摩擦焊已被证明可以实现所有牌号铝合金以及不同状态铝合金之间的焊接．对于铝锂合金，采用传统熔化焊接的方法，容易出现气孔、裂纹等焊接缺陷，同时材料中锂元素的烧损，导致接头强度远低于母材，但采用搅拌摩擦焊接方法，焊接第三代铝锂合金（２１９９、２１９５、２１９８、２Ａ９７等），均获得了高质量的焊接接头［６－１１］．已有的研究工作，多集中在传统铝锂合金的接头性能方面，未对形成这些性能的根本原因———接头显微组织分布，进行深入研究．本文选用在我国研制的大型客机中有广泛应用前景的第三代铝锂合金２０６０，开展搅拌摩擦焊接对接技术研究，深入探讨搅拌摩擦焊接头各区显微组织与析出相演变规律，为铝锂合金搅拌摩擦焊接工艺参数的选择提供参考．１实验试验用２０６０铝锂合金的主要化学成分如表１所示．将２０６０板材切割为２００ｍｍ×４００ｍｍ×２ｍｍ待焊试片，焊前将试板接触搅拌头轴肩一侧进行机械打磨，以去除表面氧化层，再用丙酮擦拭干净备焊．试验选用双圆环锥形无螺纹搅拌头进行焊接，搅拌针长度为１．８６ｍｍ，选用的焊接工艺参数为，主轴旋转速度６００ｒｐｍ，焊接速度４００ｍｍ／ｍｉｎ，下压量控制在０．１ｍｍ内．焊后对焊缝进行Ｘ射线检测，对检测无缺陷的试板，用于组织与析出相分析．垂直焊接方向线切割得到包括母材、热影响区、热机影响区和焊缝区的３０ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍ试样，用酚醛模塑料进行镶样，１～６＃金相砂纸磨平后抛光，用１％ＨＦ＋１．５％ＨＣＬ＋２．５％ＨＮＯ３＋９５％Ｈ２Ｏ腐蚀剂腐蚀，腐蚀时间为２５ｓ．在ＮＩＫＯＮＥＰＩＰＨＯＴ－３００型光学显微镜和⁃ＦＥＩＳＩＲＩＯＮ２００型电子显微镜下进行显微组织分析，利用ＣＸ２００透射电镜观察合金析出相．透射试样的制作如下：焊缝试片线切割为０．５ｍｍ薄片，机械打磨至５０μｍ，最后双喷减薄，双喷液为５％ＨＦ＋９５％酒精溶液，温度为－℃２０．表１２０６０主要化学成分（质量分数／％）ＣｕＬｉＦｅＭｎＭｇＺｎＳｉＡｇＣｒＡＬ３．５６０．７２０．０２６０．３０．７２０．３４０．０２５０．０８６＜０．０１Ｂａｌ２结果及分析２．１接头微观形貌对接接头微观形貌如图１所示，端面为倒锥形．焊缝端面各区微观形貌分布明显，从左至右分别为：母材—热影响区—热机影响区—焊缝—热机影响区—热影响区—母材，焊核左方为前进侧，右方为后退侧，两侧微观界面呈现显著差异．在前进侧，由于搅拌针表面螺纹的存在［１２］，材料受到搅拌针强烈的剪切作用，摩擦剪切力将轧制态α板条显著拉长，板条变窄，板条呈现出明显的方向性，焊核区和母材界面非常清晰，如图２（ａ）所示；同时还应注意，在前进侧靠近轴肩的上部，因受到轴肩运动的影响［１３－１４］，热输入大，界面也变得模糊起来．后退侧，软化层受到搅拌针的带动作用，由前向后流动，对后退侧材料起到较好的润滑作用，大大降低搅拌针与后退侧材料的摩擦剪切力，因此，后退侧组织受到的剪切力小，组织变形也小，如图２（ｂ）所示．BasemetalzoneHeatafectedzoneThermalmechanicallyafectedzoneWeldmuggetzoneThermalmechanicallyafectedzoneHeatafectedzoneBasemetalzone图１焊接接头微观形貌·０２１·材料科学与工艺第２２卷100μm100μm(a)前进侧(b)后退侧图２两侧界面形貌２．２接头各区显微组织与析出相分析２．２．１２０６０母材区２０６０母材显微组织如图３所示，经双向轧制后的２０６０为长板条α相组成的片层结构，α板条交错分布．本文使用的２０６０，拥有较高的Ｃｕ／Ｌｉ比，已有研究表明，铝锂合金在高的Ｃｕ／Ｌｉ比时，主要析出强化相是Ｔ１（Ａｌ２ＣｕＬｉ）和少量δ′（Ａｌ３Ｌｉ）［１５－１６］，图中针片状Ｔ１和球形δ′弥散分布于α基体上．此外，在部分取向的α板条组织中，一种三角形相大量析出，清晰可见．考虑到该合金采用的是双向扎制法，两向α板条受热和受力情况均等，所以，两个方向的板条组织中均应有三角相析出，将２０６０中紧邻的三个板条相放大至１００００倍，证实了以上想法．如图４中的板条２，三角相析出明显，而板条１和板条３中，析出相存在却不易观测．这种析出相观测的难易，应该源于α板条与观测方向夹角的差异，当板条截面平行于观测面时易于观测，而垂直时，则不易观测．同时，该三角相还呈现出沿一个方向析出的典型特点，如图４中板条２所示，这可能和母材的轧制方向相关．本文对该三角相进行了初步研究，对应的ＴＥＭ明场相及选区衍射图谱见图５（ａ）和５（ｂ）．衍射图谱表明，这些三角析出相为立方结构，通过能谱分析（见图５（ｃ）），Ｃｕ和Ａｌ原子比接近∶２１，而Ｆｅ和Ｚｒ元素应该是测试时引入的，因此，基本可以判定，该三角相应为立方ＡｌＣｕ２Ｍｎ．100μm图３２０６０显微组织10μmSlat1Slat2Slat3precipitateddirection图４ＡｌＣｕ２Ｍｎ相在板条中全面析出(a)明场相(b)选区衍射图1μmAlKCuKZrLFeKMnK2468101214(c)能谱图E/keV图５立方ＡｌＣｕ２Ｍｎ相·１２１·第５期杨模聪，等：２０６０搅拌摩擦焊对接接头显微组织与析出相分析２．２．２热影响区和热机影响区热影响区由于受摩擦热作用，原始板条组织有明显粗大现象，如图６（ａ）所示，在板条组织内，针片状Ｔ１相析出更加全面．50μm50μm(b)热机影响区(a)热影响区图６热影响区和热机影响区组织在热机影响区，无论前进侧还是后退侧，由于受到摩擦热和机械搅拌的双重作用，受热后的粗大组织被搅拌针带动而破碎，显微组织较热影响区有所细化，图６（ｂ）所示．在前进侧，由于受到搅拌针的剪切作用更强，部分未破碎的α板条被拉长，发生了较大的扭曲变形，图２（ａ）所示．受到热作用的影响，以上两区域的典型特点是Ｔ１相析出比例增加，而三角的ＡｌＣｕ２Ｍｎ相析出极不明显，或消失，这说明该相极易受到热影响，是一种热熔化相．２．２．３焊核区图７所示焊核区微观组织，焊核区金属得到充分搅拌，α板条被完全打碎，晶粒重新形核，但因焊核所在的高温区存在时间较短，形核后，晶粒不能充分生长，而成为细小的等轴晶组织．经历短暂高温后，ＡｌＣｕ２Ｍｎ相在焊核区不复存在．在１００００倍的显微组织照片中，还可以发现，等轴晶组织之间弥散分布有一定数量的白点，对该区域进行透射电镜和能谱测试，如图８所示，结合铝锂合金中相的析出规律，以及该相的外观形貌，认为，该相是在高温状态下从基体中析出的ＡｌｘＣｕｘＭｎ相．(a)低倍(b)高倍50μm5μm图７焊核区显微组织50μm(a)明场相(b)能谱图AlKZrLMnKCuK2468101214E/keV图８焊核区明场相及能谱图２．３显微硬度分布以母材区为起点，沿接头横截面每隔１ｍｍ·２２１·材料科学与工艺第２２卷测试显微硬度值，结果如图９所示．母材区由于存在较多析出相Ｔ１、δ′和ＡｌＣｕ２Ｍｎ，显微硬度较高，约１５０ＨＶ左右；进入热影响区后，接头组织不断粗大，析出相的减少，显微硬度开始降低，直到出现最低值７１．４ＨＶ；在１０ｍｍ位置以后，显微硬度出现一个快速增加区，该区应为热机影响区，源于组织存在一定的细化和变形；进入焊核区以后，由于等轴晶组织和高温相ＡｌｘＣｕｘＭｎ的出现，显微硬度显著提高，且在整个焊核区，因组织均匀一致，材料显微硬度也稳定在１１５ＨＶ左右．在前进侧和后退侧，由于显微组织分布类似，显微硬度的演变趋势也基本一致．05101520253035180150120906030HardnessDistance/mmHardness/HVBMZHAZWNZTMAZ图９接头显微硬度分布３结论（１）２０６０搅拌摩擦焊接接头的母材为双向板条组织，热影响区组织受热粗大，热机影响区组织因机械搅拌作用有所细化，而焊核区为典型的等轴晶组织．（２）２０６０搅拌摩擦焊接接头显微组织中，相演变规律从母材至焊缝依次为：α＋Ｔ１＋δ′＋ＡｌＣｕ２Ｍｎα＋Ｔ１α＋ＡｌｘＣｕｘＭｎ，２０６０母材α板条中析出有三角析出相ＡｌＣｕ２Ｍｎ，受热后消失，焊核中存在ＡｌｘＣｕｘＭｎ高温析出相．（３）接头显微硬度的分布随显微组织的演变而变化，母材因析出相多，显微硬度显著大于其他三区，为１５０ＨＶ；热影响区和热机影响区因组织粗大以及析出相的减少，显微硬度值最低；焊核区的细小等轴晶和析出相的出现，显微硬度显著增加，并稳定于１１５ＨＶ左右．参考文献：［１］陈建．铝锂合金的性能特点及其在飞机中的应用研究［Ｊ］．民用飞机设计与研究，２０１０，（１）：３９－４２．［２］王永，胡捷，胡国平，等．可焊铝锂合金焊接研究现状［Ｊ］．有色金属，２００２，５４（１）：１６－１９．［３］束彪．２１９５铝锂合金焊接工艺及其接头组织性能研究［Ｄ］．沈阳航空工业大学硕士学位论文，２０１０．［４］黎俊初，周德生，刘大海，等．２Ａ１２铝合金筋板件Ｔ型搅拌摩擦焊工艺及焊后热处理［Ｊ］．材料科学与工艺，２０１１，１９（２）：８０－８６．［５］ＭＵＲＰＨＹＡ，ＰＲＩＣＥＭ，ＷＡＮＧＰ．ＴｈｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｅｎｇｔｈａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆ⁃⁃ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｅｄＦｕｓｅｌａｇｅＰａｎｅｌｓ［Ｃ］／／４６ｔｈＡＩＡＡ／ＡＳＭＥ／ＡＳＣＥ／ＡＨＳ／ＡＳＣＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｙｎａｍｉｃｓ＆ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１８－２１Ａｐｒｉｌ２００５，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ．［６］栾国红．飞机制造中的搅拌摩擦焊接技术及其发展［Ｊ］．航空制造技术，２００９，（２０）：２６－３１．［７］王大勇，冯吉才，王攀峰．铝锂合金搅拌摩擦焊研究［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００５，２３（３）：３６９－３７２．［８］狄欧．高强铝锂合金的搅拌摩擦焊工艺研究［Ｊ］．热加工工艺，２００４，（１０）：２６－２８．［９］张颖云，李正．先进焊接技术在飞机制造中的应用［Ｊ］．西安航空技术高等专科学校学报，２００８，２６（１）：８－１１．［１０］徐效东，杨新岐，周光，等．铝合金２０２４－Ｔ４搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能分析［Ｊ］．航空材料学报，２０１２，３２（３）：５１－５６．［１１］蔡彪，郑子樵，孙景峰，等．２Ａ９７铝锂合金搅拌摩擦焊焊缝的微观组织特性［Ｊ］．粉末冶金材料科学与工程，２０１２，１７（２）：１４７－１５２．［１２］柯黎明，潘际銮，邢丽，等．搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动的抽吸—挤压理论［Ｊ］．机械工程学报，２００９，４５（４）：８９－９４．［１３］张昭，刘亚丽，陈金涛，等．搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式［Ｊ］．焊接学报，２００７，２８（１１）：１７－２２．［１４］张昭，张洪武．率相关材料在搅拌摩擦焊接过程中的行为分析［Ｊ］．材料科学与工艺，２００７，１６（５）：６９６－７０１．［１５］尹登峰．添加Ｃｅ、Ｚｎ、Ｓｃ对２１９５铝锂合金显微组织和力学性能的影响［Ｄ］．中南大学硕士学位论文，２００２．［１６］郑子樵，李劲风，陈志国，等．铝锂合金的合金化与微观组织演化［Ｊ］．中国有色金属学报，２０１１，２１（１０）：２３３７－２３５１．（编辑张积宾）·３２１·第５期杨模聪，等：２０６０搅拌摩擦焊对接接头显微组织与析出相分析