MG/AL異種材料瞬間液相過冷連接工藝研究

劉蒙恩，盛光敏

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶，400045)

鎂和鋁合金密度低、比強度高、比剛性高，作為輕質工程結構材料有著越來越廣闊的應用前景[1-2]，鑒于鎂材和鋁材應用的廣泛性和交叉性，將鎂和鋁及其合金連接形成復合結構就顯得十分必要，這樣既可降低結構重量，又可降低成本[3]。由于鋁合金和鎂合金進行連接時容易產生硬而脆的 Mg-Al金屬間化合物[4-5]，在采用傳統的熔焊焊接方法進行焊接時，容易產生熱裂紋、氣孔、合金元素燒損和焊縫區軟化等問題[6-7]，故鋁合金零件和鎂合金零件及鋁合金和鎂合金的連接多采用機械連接，因此，大大限制了鎂材和鋁材的應用。國內外學者已對鎂和鋁異種材料連接進行大量研究，Yutaka等[8]對1050鋁合金與AZ31鎂合金進行了攪拌摩擦焊(FSW)研究，焊縫中形成了金屬間化合物Mg17Al12，導致焊縫區硬度高達HV 200～225；劉鵬等[9-12]采用真空擴散焊對純鎂和1070A純鋁進行連接試驗，接頭的最大的剪切強度為18.94 MPa；李線絨等[13]采用鎂鋁合金粉末或鎂鋅合金粉末連接劑的方法實現了鎂/鋁異種金屬的連接，試樣的最高彎曲強度達到22.7 MPa；Takehiko等[14]研究了Ag箔做中間層對接頭性能的影響。根據 Mg-Al二元相圖，Mg和 Al部分互溶，在一定溫度條件下，形成了 MgAl和Mg2Al3等金屬間化合物。過冷工藝通過在界面處產生成分過冷，破壞了傳統TLP工藝的界面平衡狀態，使凝固過程具有不平衡結晶特征，加快了等溫凝固過程。成分過冷度的存在使傳統的平直界面失穩，變成非平面狀界面;并且隨著凝固的完成，最終界面消失，形成無界面的組織均勻接頭[15]。在此，本文作者采用過冷瞬態液相擴散連接工藝對Mg/Al異種材料進行連接試驗，對接頭進行性能測試，并對接頭結構及拉伸斷口進行微觀分析。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為AZ31鎂合金和5083鋁合金的棒材，規格為d16 mm×35 mm。材料的化學成見表1。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of tested materials %

1.2 試驗方法

將AZ31鎂合金和5083鋁合金的連接端面用水砂紙打磨并拋光。焊接前，對拋光后的試樣放在丙酮中進行超聲波清洗，以去除試樣端面的油污和雜質，經酒精沖洗后，為防止鎂合金與鋁合金在空氣中再次氧化，直接將帶有乙醇液膜的試樣裝入 Gleeble-1500D型熱模擬試驗機中。

鎂合金與鋁合金試樣裝配如圖1所示，將2種材料經過拋光清洗的端面對接，采用 Ni-Cr/Ni-Al 熱電偶進行測溫，熱電偶焊于鋁合金側距界面1 mm 處，為了避免試樣與夾具在高溫下發生黏結，在二者之間加入鉭片。連接時的真空度為1×10-2Pa。

圖1 試樣裝配圖Fig.1 Assembly of samples

Mg/Al異種材料瞬間液相過冷連接工藝如圖2所示，為探討保溫擴散時間t2對接頭性能的影響，選擇4個不同的保溫擴散時間(分別是0，5，10和20 min)，升溫和降溫速度均為10 ℃/s，焊接過程中施加2 MPa的軸向壓力。

圖2 Mg/Al過冷TLP連接工藝參數曲線Fig.2 Super-cooled process for transient liquid phase (TLP)bonding of Mg/Al

將拉伸試樣在新三思CMT5105 型材料拉伸試驗機上進行拉伸，加載速率為0.1 mm/min；用微觀硬度計對結合界面及附近母材的硬度變化進行測試；用Vega Tescan 型電子掃描顯微鏡(SEM)對拉伸斷口和接頭剖面的組織進行觀察和分析；并用D/MAX-1400型X線衍射儀對拉伸斷口試樣進行X線衍射試驗，以便對試樣的組織和物相進行分析研究。

2 結果及分析

2.1 接頭微觀組織觀察

采用掃描電鏡(SEM)對Mg/Al瞬間液相過冷連接接頭顯微組織進行觀察。圖3所示為t2=0～30 min不同工藝的顯微組織圖片。試驗結果表明4種工藝均形成了有效連接，從圖3(a)可以看出：由于在試樣兩端施加了2 MPa的壓力，在壓力作用下，多余的液相被擠壓出去，同時促進了液相的均勻鋪展，但是由于時間較短，2個試樣只是靠液相的潤濕性連接在一起，擴散層厚度非常薄。對比圖3(a)和3(b)可以看出：相對圖3(a)，圖3(b)已經存在一定厚度的擴散層。隨著t2的延長，熔合擴散層逐漸增厚，對比圖3(c)和3(d)可以看到：隨著擴散時間的延長，擴散層的組織和成分更加均勻。由于過冷連接工藝在液相區形成了一個過冷溫度，打破了連接面的平衡狀態，導致液相結晶過程中形成了成分過冷，改善晶體生長方式從而加速了元素的擴散和界面移動。

2.2 接頭強度分析

為了更加全面地對焊接接頭的性能進行表征，進行了拉伸試驗。試驗結果如圖4所示。從圖4可以看出：擴散時間t2=0～30 min時，隨著保溫擴散時間t2的延長，抗拉強度逐漸增大，這是由于隨著保溫擴散時間的延長，接頭與母材之間的元素相互擴散更加充分，隨著保溫擴散時間的延長，抗拉強度的增長趨勢逐漸減弱。當t2=30 min時，抗拉強度最高達到20.4 MPa。

圖3 接頭SEM顯微組織Fig.3 SEM microstructures of joint

圖4 連接接頭的抗拉強度Fig.4 Tensile strength of bonded joints

2.3 接頭斷口分析

圖5 30 min下過冷TLP接頭拉伸斷口的SEMFig.5 Tensile fracture SEM of joint at 30 min

利用SEM對t2=30 min試樣的拉伸斷口進行分析，結果如圖5所示。從圖5可見：鋁側斷口形貌屬于準解理，有臺階和撕裂棱；鎂側斷口形貌掃描圖片呈現典型的沿晶斷裂形貌，在鎂和鋁兩側均存在一些白色點狀新相，屬于Mg-Al系金屬間化合物，正是由于這些金屬間化合物的存在，使接頭強度較低。

2.4 接頭剖面硬度及XRD分析

用顯微硬度計對接頭剖面進行硬度測定，顯微硬度分布如圖6所示。硬度分布分為3個區間：鋁合金母材、熔合擴散區和鎂合金母材，熔合擴散區的硬度明顯高于母材，最高維氏硬度達到 320，這與微觀組織觀察結果一致，由于金屬間化合物的生成，導致熔合擴散區硬度明顯升高。

為了進一步確定熔合擴散區形成的金屬間化合物種類，對接頭剖面進行X線衍射分析，結果如圖7所示。接頭中形成了 MgAl，MgAl2，Mg2Al3，Mg0.44Al0.56和Mg17Al125種金屬間化合物，這是導致熔合擴散區硬度升高的主要原因，同時，由于這些金屬間化合物的存在，導致接頭強度不高。

圖6 Mg/Al過冷TLP接頭結合界面顯微硬度分布Fig.6 Distribution of microhardness in interface of Super-cooled transient liquid phase of Mg/Al

圖7 t2=30 min時過冷TLP接頭剖面X線衍射分析Fig.7 X-ray diffraction pattern of longitudinal section of super-cooled TLP joint at t2=30 min

3 結論

(1) 采用過冷TLP連接工藝可以實現Mg/Al異種材料的有效連接，在采用2 MPa恒壓的情況下，隨著保溫擴散時間t2的延長，接頭的抗拉強度隨之增高，當t2=30 min時，接頭的抗拉強度可以達到20.5 MPa。

(2) 接頭的微觀硬度分布分為 3個區：鋁合金母材、熔合擴散區和鎂合金母材，熔合擴散區的硬度明顯高于母材，最高維氏硬度達320。

(3) 鋁側斷口形貌屬于準解理，有臺階和撕裂棱，鎂側斷口形貌呈現典型的沿晶斷裂形貌，在鎂和鋁兩側均存在一些白色點狀新相，屬于Mg-Al系金屬間化合物，經X線衍射分析表明：接頭過渡區存在MgAl，MgAl2，Mg2Al3，Mg0.44Al0.56和 Mg17Al125 種金屬間化合物。

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