異質鎂合金累積疊軋焊界面結合機制的研究

肖心萍 王紅梅 李曉丹

（秦皇島職業技術學院，機電工程系，河北 秦皇島066100）

1 概述

鎂合金是極具應用前景的優質合金之一。近些年來，鎂合金在工業上的應用越來越廣泛。鎂合金作為輕質結構材料，除了具有良好的電磁屏蔽能力、比強度和比剛度高、良好的散熱能力及抗震性能。此外，鎂合金還有良好的可回收性，可以緩解目前日益增加的環保壓力。因此，鎂合金被譽為“綠色”工程材料。累積疊軋焊具有設備簡單、工藝簡捷的優點，具備生產寬幅細晶鎂合金熱軋板卷的能力，因此未來會在航空、航天、汽車重要結構領域有很大的運用前景。

在前面實驗工作中獲知，AZ61 比AZ31 的屈強比大；在適宜的加熱溫度下，AZ31 的伸長率要大于AZ61。AZ31 成形性能總體上要比AZ61 鎂合金更優越。而由于AZ61 鎂合金中的AL的含量較高，AZ61 鎂合金相對于AZ31 鎂合金具有更好的耐蝕性能。因此研究這兩種材料的界面結合的機制對于后續開發綜合性能優越的層狀復合板有著很重要的意義。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

本實驗采用的材料為AZ31 和AZ61 鑄造鎂合金，其化學成分見表1。在本次實驗前，此材料在673K 溫度下進行了10 小時固溶處理。

表1 AZ31 和AZ61 鎂合金棒材的化學成分（質量分數%）

2.2 試驗方法

根據前期試驗確定AZ31 和AZ61 鎂合金壓縮變形的參數：應變速率0.01s-1，變形溫度350℃，AZ31 與AZ61 異質材質之間的ARB 連接實驗方案如下：

表2 AZ61 與AZ31 異種材質的ARB 試驗

驗具體步驟是：

（1）分別從Ф10 AZ61 和AZ31 棒材中取Ф6×4.5mm 的圓餅狀樣品，并用1200 目金相專用對樣品表面進行打磨，去除因切割而產生的表面氧化物，待酒精清洗后留待試驗。

（2）將前面處理好的AZ31 和AZ61 式樣各取一個，疊放在孔徑為Ф6，高為9 圓形套筒內，進行累積疊軋壓縮。壓縮量分別為15%、50%和80%以及靜壓下保溫1h，試驗完畢后將試樣沿徑方切開，進行金相顯微觀察。

3 試驗材料和試驗方法

3.1 AZ31 與AZ61 異質鎂合金ARB 結果

表3 ARB 試驗結果

3.2 AZ31 與AZ61 異質鎂合金未腐蝕前熱壓界面觀察

鎂合金AZ31 不同變形量下進行模擬ARB 實驗后，未腐蝕前的界面宏觀觀察如圖1 所示。

從圖（a）、（b）、（c）和（d）中可以看出鎂合金的界面都已經連接，但是在靜壓下保溫1h 和壓縮量較低時界面的孔洞較大，界面較明顯，而且在靜壓下由于保溫時間很長，界面處氧化嚴重，界面上夾雜較多的氧化物。隨著壓縮量的增加，表面界面變的不太明顯，而且大孔洞已經消失，只留下一條細小的連接線；當壓縮量達到80%時，宏觀觀察下表面上已經看不出連接界面。

圖1 未腐蝕前的界面宏觀觀察

3.3 AZ31 與AZ61 異質鎂合金腐蝕后界面微觀組織

圖2 是AZ31 和AZ61 鎂合金ARB 后界面附近的組織觀察，從圖中可以看出，由于界面兩側的合金含量不同，所以可以明顯的觀察到界面兩側在經過同種腐蝕劑腐蝕后，組織有顯著的差異。從圖中可以看出AZ31 鎂合金的晶界經過腐蝕后比較明顯，AZ61 鎂合金無法腐蝕出較明顯的晶界。但是在界面附近由于彼此間的元素的相互擴散，界面兩側都顯示出較明顯的晶粒。

圖2 異種材質ARB 后界面顯微組織觀察

圖（a）是靜壓下保溫1h 的情況下的界面顯微組織觀察，從圖中可以看出連接界面非常明顯。由于存在一定的壓力，而AZ61 鎂合金的屈服強度較小，在AZ61 靠近界面附近可以觀察到有些較細小的晶粒形成，AZ31 幾乎沒有明顯的變化。

圖（b）中為壓縮量15%，鎂合金開始動態再結晶，在界面連接線附近的兩側都出現了一些細小的再結晶晶粒，遠離界面的晶界上也有再結晶現象發生。

在圖（c）中，壓縮量已經達到50%，這時的動態再結晶的區域擴大，原始晶界甚至晶粒內部都有再結晶晶粒的產生。整體晶粒度趨于均勻，這時的連接線已經變得模糊不清，在原來的界面處有形成了共同晶粒，界面兩側的部分晶粒發生融合。

圖（d）是壓縮量達到80%時的界面組織觀察，這是的界面已經被再結晶形成的共同晶粒所覆蓋，沒有明顯的連接線，但是由于兩側鎂合金的合金含量不同，還是能夠看出界面的過渡部分。

3.4 AZ31 與AZ61 異質鎂合金腐蝕后界面掃描觀察

圖3 AZ31 與AZ61ARB 后界面掃描觀察及沿掃描線的鋁含量

對鎂合金界面進行掃描電鏡觀察。由于AZ31 和AZ61 中的合金含量不同，所以我們可對穿過連接界面的線掃描，并沿掃描線繪制出Al 含量的變化曲線。

在掃描線上的連接界面處，鋁的含量有明顯的變化。（a）圖中是壓縮量為15%時的界面掃描，鋁含量在界面處呈現出垂直下降趨勢，這說明在壓縮量為15%時，界面處沒有明顯的擴散現象，這時在界面上還沒有共同晶粒形成，界面連接中動態再結晶現象不明顯。在圖（b）中，鋁的含量在掃描線上發生了變化，在界面處鋁的含量并沒有呈垂直下降，而是形成了一個介于AZ61 和AZ31 鋁的含量之間的小峰值（箭頭所指處），這說明在界面連接處，兩種材質的鎂合金之間發生了相互的擴散，鋁由濃度向低濃度擴散。說明在界面處發生了動態再結晶，由一定量的共同晶粒形成。而在圖（c）中，除了有介于兩者之間的峰值處在外，還可以看出，鋁含量曲線的變化趨勢更加的平緩，沒有垂直方向的變化。這說明在壓縮80%時，界面的動態再結晶更明顯，界面主要通過共同晶粒連接。

4 結論

在AZ61 和AZ31 異種材質鎂合金累積疊軋焊過程中界面兩側同樣發生了動態再結晶現象。當累積疊軋變形量達到50%以上時，在原界面上發生了明顯的鋁原子擴散現象，且界面上出現了共同晶粒，界面接合良好。界面結合的機制兩側晶粒之間發生的動態再結晶和相互擴散。鎂合金的表面狀況和累積疊軋焊后的保溫時間影響界面的結合。鎂合金表面經打磨和清洗處理后，在變形溫度為350℃、累積變形量為80%和較短保溫時間下進行累積疊軋焊，可以獲得高質量的結合界面。