熱循環(huán)、腐蝕和自然時(shí)效對2024鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響

肖博，張振林，麻思達(dá)，張志函，楊夏煒，李文亞

(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西省摩擦焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

攪拌摩擦焊(FSW)是1991年由英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的一種新型的固相連接技術(shù)，特別適合于輕質(zhì)合金(如鎂合金、鋁合金、鈦合金等)的焊接，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及造船等重要領(lǐng)域[1—2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對FSW開展了大量的研究，包括接頭溫度場演變[3—7]、金屬塑性流動(dòng)行為[7—9]、工藝性能優(yōu)化[10—11]、微觀組織與織構(gòu)表征[12—13]等，這些研究為進(jìn)一步推廣FSW的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。然而，F(xiàn)SW溫度場對接頭成形、顯微組織及性能有重要影響，以往相關(guān)研究[3，14—15]表明，F(xiàn)SW 會導(dǎo)致固溶強(qiáng)化類鋁合金的力學(xué)性能降低，這是由于焊接過程熱循環(huán)影響析出強(qiáng)化相(如2024鋁合金為Al2CuMg和Al2Cu相)的粗化和溶解。王廷等人[16]研究了7050鋁合金FSW焊接熱循環(huán)對其熱影響區(qū)的性能的影響，指出焊接熱循環(huán)主要通過改變強(qiáng)化相的尺寸和分布來影響熱影響區(qū)性能。Inagaki等人[5]研究1050鋁合金FSW的峰值溫度對組織演變的影響，得出了隨著峰值溫度的升高，攪拌區(qū)的平均晶粒尺寸從1 μm增加到10 μm。對其焊接過程熱循環(huán)的深入認(rèn)識是很有必要的，這有助于調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化顯微組織，改善接頭性能。而關(guān)于FSW同一焊縫不同位置的焊接熱循環(huán)對力學(xué)性能的影響鮮見報(bào)道。

喬文廣等人[17]研究了自然時(shí)效對FSW接頭的影響，發(fā)現(xiàn)隨著自然時(shí)效時(shí)間的延長，鋁合金會表現(xiàn)出強(qiáng)度升高、伸長率升高、熱處理性能出現(xiàn)差異性等現(xiàn)象。胡尊艷等人[18]研究了焊后時(shí)效對6061-T6鋁合金FSW接頭組織和性能的影響，表明自然時(shí)效會使接頭各區(qū)產(chǎn)生不同的腐蝕性能。Davenport等人[19]的研究表明，2024-T351FSW接頭的熱影響區(qū)和焊核區(qū)均是易腐蝕部位。付瑞東等人[20]研究了酸性鹽霧下2024鋁合金FSW接頭的腐蝕行為，指出腐蝕首先從局部點(diǎn)蝕開始，最終演變?yōu)閯兟涓g。然而構(gòu)件在實(shí)際服役過程中，時(shí)效和腐蝕是同時(shí)存在、共同作用的，關(guān)于腐蝕和自然時(shí)效共同作用對材料性能的影響很少探究。基于此，文中對2024鋁合金FSW同一條焊縫不同位置的焊接熱循環(huán)與力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對腐蝕和自然時(shí)效共同作用下2024鋁合金攪拌摩擦焊的力學(xué)性能變化進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用尺寸為200 mm×60 mm×3.2 mm的2024鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，2024鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:Cu 3.8% ～4.9%，Si 0.50%，F(xiàn)e 0.50%，Mn 0.3% ～ 0.9%，Mg 1.2% ～1.8%，Zn 0.25%，Cr 0.10%，Ti 0.15%，余量為 Al。實(shí)驗(yàn)所用攪拌頭材料為H13鋼，軸肩直徑10.0 mm，帶右旋螺紋的錐形攪拌針，根部直徑3.77 mm，針長3.0 mm，錐角11°。采用 FSW-RL31-010型攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接過程中，攪拌頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，主軸傾角為2.5°，旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min，焊接速度為250 mm/min，軸間下壓量為0.2 mm。焊件采用線切割機(jī)制備拉伸試樣。熱循環(huán)試樣編號及排布如圖1所示。自然時(shí)效試樣沿垂直焊縫方向的焊件制備拉伸試樣，分成5組，每組包含6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，將5組試樣置于自然條件下分別進(jìn)行1，2，4，6，8個(gè)月的自然時(shí)效，將實(shí)驗(yàn)組中3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行腐蝕處理(實(shí)驗(yàn)采取的腐蝕條件為:3.5%的NaCl溶液在40℃條件下加速腐蝕72 h)，另外3個(gè)拉伸試樣不做處理。對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)為SHIMADZU AG-X，拉伸速度為1 mm/min。每個(gè)接頭的力學(xué)性能采用3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行評估。采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察接頭的微觀組織。

圖1 拉伸試樣尺寸與分布Fig.1 Layout and dimensions of tensile sample

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

大量的研究已表明[14，21—22]，攪拌摩擦焊過程的強(qiáng)烈熱力耦合與非對稱的塑性金屬流動(dòng)等特點(diǎn)，使得接頭各區(qū)的組織存在明顯差異。圖2為該研究所得到的接頭不同區(qū)域EBSD組織。從圖2a可以看出，母材組織為典型的軋制帶狀組織，平均晶粒尺寸約為20 μm。然而，焊核區(qū)為細(xì)小的等軸晶粒，平均晶粒尺寸約為3 μm(如圖2b所示)，這主要是由于焊核區(qū)強(qiáng)烈的塑性變形與較高的溫度使得該區(qū)發(fā)生了明顯的完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。與焊核區(qū)相比，熱機(jī)影響區(qū)的晶粒尺寸極其不均勻，這是由于該區(qū)變形不充分和溫度較低，使得組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。對于熱影響，由于僅受溫度的影響，因此晶粒結(jié)構(gòu)與母材基本一致，但強(qiáng)化相存在明顯差異[10—11，14]。

圖2 接頭各區(qū)域的EBSD組織Fig.2 EBSD maps of different zones in a joint

圖3為接頭不同區(qū)域的TEM組織特征。從圖3中可以看出，母材中有大量的位錯(cuò)和不連續(xù)分布的棒狀沉淀相，該相為 T 相(Al20Cu2Mn3)[10—11]，其寬度約為50～100 nm，長度最大值可達(dá)400 nm。然而，在焊核區(qū)幾乎沒有位錯(cuò)，這主要是由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所致。此外，在焊核區(qū)可清楚地觀察到隨機(jī)分布的S相(Al2CuMg)，但其尺寸極不均勻。在熱影響區(qū)，大量的S相能被觀察到，一些S相發(fā)生了粗化。顯然，細(xì)小的S相在鋁基體中能夠有效阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，有利于位錯(cuò)釘扎和堆積[23]。對于2024鋁合金，GPB區(qū)是主要的強(qiáng)化相[11]。Genevois等人[14]已證實(shí)在 350 ℃時(shí)，時(shí)間5～10 s范圍內(nèi)GPB區(qū)被完全溶解且S相發(fā)生粗化，因此，攪拌摩擦焊接過程中，S相的形成是以GPB區(qū)的溶解為代價(jià)，GPB區(qū)是否發(fā)生完全溶解，與峰值溫度和該區(qū)溫度的持續(xù)時(shí)間有關(guān)[24]。

2.2 熱歷史曲線

圖3 接頭各區(qū)域的TEM組織Fig.3 TEM micrographs of different zones in a joint

采用Li等人[4]建立的有限元模型，獲得了焊接過程中接頭溫度場分布。圖4a為被焊工件上特征點(diǎn)的熱歷史曲線(距焊縫中心10 mm表面處)。從圖4可以看出，特征點(diǎn)A經(jīng)歷的峰值溫度最高(約385℃)，而B—H經(jīng)歷的峰值溫度約為365℃。這主要是因?yàn)辄c(diǎn)A接近插入點(diǎn)，在插入與停留階段產(chǎn)生大量的熱，被焊工件溫度急劇升高，產(chǎn)熱與散熱尚未達(dá)到平衡，導(dǎo)致A的溫度較高。隨著焊接時(shí)間的增加，產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡，焊接溫度趨于穩(wěn)定，使得B—H特征點(diǎn)峰值溫度趨于一致，這與文獻(xiàn)[4]結(jié)果一致。2024鋁合金是固溶強(qiáng)化類金屬，而高溫停留時(shí)間會不同程度地影響固溶強(qiáng)化相的溶解與析出，從而會影響其力學(xué)性能。根據(jù)Wang等人[24]的研究，當(dāng)溫度高于150℃時(shí)，GPB區(qū)開始溶解，當(dāng)溫度高于240℃時(shí)，S"相開始溶解，當(dāng)溫度高于270℃時(shí)，S相開始溶解。因此，進(jìn)一步分析特征點(diǎn)在這3個(gè)溫度以上的持續(xù)時(shí)間是必要的。圖4b為溫度在150，240，270℃以上持續(xù)時(shí)間與特征點(diǎn)的關(guān)系。從圖4中可以看出，各特征點(diǎn)在270℃和240℃以上的持續(xù)時(shí)間基本一致，但各特征點(diǎn)在150℃以上的持續(xù)時(shí)間明顯不同，隨著焊接時(shí)間的增加，持續(xù)時(shí)間是逐漸減小的。上述事實(shí)表明，由于同一焊縫上不同位置經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)，因此不同位置的力學(xué)性能可能存在明顯差異。

2.3 力學(xué)性能

圖4 各位置熱歷史模擬曲線和各位置溫度在高溫區(qū)停留時(shí)間Fig.4 (a)Simulation of thermal cycle of different positions，(b)Holding time in the high temperature of different positions

圖5 接頭不同位置的拉伸應(yīng)力與伸長率Fig.5 Tensile stress and elongation in different positions of a joint

焊縫上不同位置的力學(xué)性能變化如圖5所示。由圖5可看出，接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沿焊接方向的分布呈現(xiàn)出先逐漸增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，靠近插入點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最小，約為297 MPa和405 MPa，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大值約為310 MPa和415 MPa。顯然，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化與圖4中熱歷史的變化是一致的，由于特征點(diǎn)A經(jīng)歷的峰值溫度最高(約385℃)，而B—H經(jīng)歷的峰值溫度約為365℃，Inagaki等人[5]的研究表明峰值溫度越高，會導(dǎo)致攪拌區(qū)晶粒的平均尺寸變大。靠近插入點(diǎn)的A和B由于在150℃以上的持續(xù)時(shí)間較長，這極有可能導(dǎo)致該區(qū)域的GPB區(qū)大量溶解以及S相的粗化，所以靠近插入點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是最低的。遠(yuǎn)離插入點(diǎn)的溫度場趨于穩(wěn)定，峰值溫度約為365℃，可能導(dǎo)致攪拌區(qū)的晶粒平均尺寸會基本一致，因此遠(yuǎn)離插入點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定。伸長率表現(xiàn)為先上升后趨于穩(wěn)定，靠近插入點(diǎn)的伸長率最小，約為7%，伸長率最大約為8.7%。

圖6所示為自然時(shí)效對腐蝕前后2024鋁合金FSW接頭力學(xué)性能的影響。由圖6可以看出，隨著自然時(shí)效時(shí)間的增加，腐蝕前后2024鋁合金FSW接頭屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。自然時(shí)效1個(gè)月時(shí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最小，分別為301 MPa和408 MPa;自然時(shí)效2個(gè)月時(shí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到307 MPa和414 MPa，增長率分別為2%和1.5%;自然時(shí)效4到8個(gè)月時(shí)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加緩慢，這主要是由于析出強(qiáng)化相造成的。隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，接頭的伸長率先升高后趨于穩(wěn)定，自然時(shí)效1個(gè)月時(shí)伸長率最小，約為7.8%，自然時(shí)效4個(gè)月時(shí)伸長率達(dá)到最大值，約為8.3%，增長率為6%，與喬文廣等人[17]的研究一致。同時(shí)，圖6表明腐蝕降低了接頭的力學(xué)性能，自然時(shí)效1個(gè)月時(shí)，腐蝕對FSW接頭的力學(xué)性能影響最小，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的減小率分別為1.6%，2.5%，4.0%，隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，腐蝕對 FSW 接頭的力學(xué)性能影響逐漸增大，當(dāng)自然時(shí)效為8個(gè)月時(shí)，腐蝕對FSW接頭的力學(xué)性能影響達(dá)到最大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率的減小率分別為6.5%，6.1%，19.8%。這主要是因?yàn)?024鋁合金FSW 焊縫上表面在腐蝕溶液中浸泡后只發(fā)生點(diǎn)蝕，S相為點(diǎn)蝕的起源，而后S相因選擇性腐蝕使其自身的電極電位升高導(dǎo)致其周圍基體的溶解，含鐵相粒子也會導(dǎo)致其周圍基體發(fā)生溶解，焊后SAZ的點(diǎn)蝕密度增大，從而使得2024鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性下降。隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，F(xiàn)SW接頭的力學(xué)性能下降的程度增大，是由于隨著自然時(shí)效時(shí)間的增加，導(dǎo)致強(qiáng)化相不同程度地析出和溶解，使得接頭的腐蝕性能降低。

圖6 腐蝕前后接頭的力學(xué)性能隨著自然時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律Fig.6 The mechanical properties of joints(initial state and corrosion state)changed with the natural aging time

3 結(jié)論

1)2024鋁合金FSW接頭同一焊縫不同位置的力學(xué)性能存在一定的差異性。接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度沿焊接方向的分布呈現(xiàn)出先逐漸增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。靠近插入點(diǎn)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最小，約為297 MPa和405 MPa，而屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大值約為310 MPa和415 MPa。

2)隨著自然時(shí)效時(shí)間的增加，2024鋁合金FSW接頭屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在前2個(gè)月增長較快，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的增長率最大值分別為2%和1.5%，之后趨于穩(wěn)定，而伸長率為先升高較快，后逐漸變緩，增長率最大值為6%。

3)在不同的自然時(shí)效時(shí)間條件下，腐蝕均能夠降低2024鋁合金FSW接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率，減小率的最大值分別為 6.5%，6.1%和19.8%。隨著自然時(shí)效時(shí)間的增加，腐蝕后接頭的力學(xué)性能下降更嚴(yán)重。

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