Zn-15Al-xLa中間層對鎂/鋼接觸反應釬焊接頭性能影響

賈夢超，趙麗敏，鄧杰

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)①

當今社會，環境污染、能源緊缺等問題日益加劇，而結構材料的輕量化則能夠減少能源消耗，降低污染排放，因此輕量化結構材料在軌道交通、航空航天等領域擁有廣闊的發展前景[1-3].鎂/鋼異種金屬的連接結構可以將兩種單一金屬的優良性能綜合起來，但是鎂與鋼的物化性質差異很大，二者既不固溶，也不能發生冶金反應，因此直接進行焊接十分困難[4-5].目前，與鎂/鋼焊接相關的焊接方法主要有攪拌摩擦焊、點焊[6]、擴散焊[7]、激光復合焊[8]、釬焊[9]等.其中接觸反應釬焊是一種特殊的焊接技術，它是依靠接觸的母材之間或母材與中間層之間的冶金反應產生液相來實現連接的焊接工藝[10].本文選用Zn-15Al-xLa釬料作為中間層進行鎂/鋼異種金屬的接觸反應釬焊，并分析加入稀土La含量的多少對接頭微觀組織和力學性能的影響.

1 實驗方法

本實驗選用DC01鋼與AZ31B鎂合金作為母材，進行兩種金屬的接觸反應釬焊.DC01鋼的化學成分(wt%)如下：C為0.10 %，Mn為0.50%，S小于等于0.035%，P小于等于0.035%，余量為Fe；AZ31B鎂合金化學成分(wt%)如下：Al為2.5%～3.5%,Zn為0.5%～1.5%，Mn為0.2%～0.5%，Si為0.1，Ca為0.04，Cu為0.05，Fe為0.005，Ni為0.005，余量Mg.

其中DC01鋼板的厚度是2.0 mm，AZ31B鎂合金板的厚度是3.0 mm.焊接之前將兩種板材分別加工成8 mm×70 mm×2.0 mm以及 8 mm×70 mm×3.0 mm兩種尺寸以備使用.

實驗采用熱浸鍍工藝將Zn-15Al-xLa(x=0,0.05,0.1,0.2wt%)中間層鍍在DC01鋼試件表面，浸鍍時間60 s，浸鍍溫度約為500℃.然后用SiC砂紙將AZ31鎂合金試件與Zn-15Al-xLa中間層試件的表面打磨至1 500#，然后用酒精清洗備用.鎂合金和鋼試件采用搭接的焊接方式，如圖1所示.

圖1 AZ31B/中間層/DC01試件裝配圖

為了使試件待焊面緊密接觸，使用夾具將帶有中間層的DC01鋼試件與AZ31B鎂合金試件夾緊，并在搭接界面處固定熱電偶，用以準確測量焊接溫度.將裝配好的試件放入預先設定好溫度的電阻爐中進行加熱，過程中向爐中通入高純度的氬氣進行保護.最佳焊接工藝參數為：連接溫度(395±2)℃，平均加熱速度100℃/min.等到接頭的搭接界面周圍出現均勻的小液滴以后，取出接頭并放入水中冷卻.

選用240～1 500#的SiC砂紙將鍍有中間層的DC01鋼試件與接頭試件打磨平整；然后選用金剛石拋光劑對試件進行拋光；之后選用成分5%的苦味酸試劑(苦味酸5 g，醋酸5 mL，水10 mL，乙醇100 mL)對試件進行腐蝕，30s后清水沖洗并用吹風機吹干.使用徠卡倒置顯微鏡觀察中間層和接頭的微觀組織，用SUPRA55場發射掃描電子顯微鏡自帶的能譜分析儀對中間層和接頭的成分進行分析；用Empyrean X-射線衍射儀對接頭兩側斷口進行相成分分析.

2 實驗結果與分析

2.1 Zn-15Al-xLa中間層微觀組織形貌分析

圖2為DC01鋼試件表面熱浸鍍Zn-15Al-xLa中間層的微觀組織形貌.從圖2中可以看出，中間層由過渡層和外部層兩部分構成.經EDS點成分分析，過渡層中含有Zn、Al、Fe三種元素，其中Zn元素含量很少，Al元素和Fe元素含量較多，Al元素和Fe元素的原子比接近5∶2，因此判斷過渡層的成分為Fe2Al5化合物，與過渡層Fe2Al5相鄰的外部層是由Zn-15Al鍍液凝固而形成的.根據Al-Zn二元合金相圖可知，在鍍液緩慢冷卻的過程中，會先析出鋁基固溶體(圖中箭頭1所示)；剩余的液相在共晶溫度時會發生共晶反應，形成鋁基固溶體(圖中箭頭2所示)和鋅基固溶體(圖中箭頭3所示)組成的共晶組織.當向Zn-15Al中間層中加入 0.05%La時，粗大的樹枝狀鋁基先析出相的尺寸減小，球狀先析出相增多， 從而細化了中間層的顯微組織.當向Zn-15Al中間層中加入 0.1%La時，中間層中有新相產生(圖中箭頭4所示)，經EDS成分分析可知，該新相含有59.53at%的Zn，32.79at%的Al，7.68at%的La， 因此可判斷該新 相 為 Zn-Al-La 三元化合物.當向Zn-15Al中間層中加入 La的含量逐步增加至0.2%時，中間層中粗大的樹枝晶又成片出現，此時La對中間層顯微組織的細化作減弱，且Zn-Al-La三元化合物的數量增多.

圖2 Zn-15Al-xLa中間層微觀組織

2.2 接頭微觀組織形貌分析

圖3為AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭的微觀組織形貌.表3為圖3各個位置的EDS成分分析結果.焊接接頭從鋼側到鎂側的區域依次為：鋼基體、中間層與鋼的反應區、殘余中間層、中間層與鎂的反應區、鎂基體.接頭大部分組織為殘余中間層.經EDS點成分分析可知，殘余中間層主要由鋁基先析出相和鋅鋁共晶組織組成.中間層與鋼的反應區為Fe2Al5化合物.中間層與鎂的反應區主要由Mg-Zn共晶組織和Mg-Zn-Al三元化合物組成，這是由于鋁基固溶體中的Al元素在焊接過程中不斷向鎂側擴散，因此Al元素與Mg元素和Zn元素結合形成Mg-Zn-Al三元化合物.當加入0.05 %的La時，殘余中間層中的樹枝狀鋁基先析出相尺寸減小，球狀先析出相增多，殘余中間層的顯微組織得到了細化.當加入0.1%的La時，接頭中發現有新相Zn-Al-La三元化合物產生，當加入La的含量達到0.2%時，樹枝狀的鋁基先析出相數目增多，尺寸變大，La對中間層殘余組織的細化作用減弱，同時接頭中Zn-Al-La三元化合物的尺寸增大，數量增加.

圖3 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭的微觀組織形貌

表3 圖3中各位置EDS分析結果 at%

2.3 接頭力學性能及斷口分析

對AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭進行剪切強度測定，接頭的剪切強度如圖4所示.從圖4中可以看出，接頭的剪切強度隨著中間層中稀土La含量的增加呈現先增大后減小的趨勢.其中，當加入0.05 %La時，接頭達到最大剪切強度，為70 MPa.

圖4 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭剪切強度

圖5為AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭斷口的XRD衍射圖譜.經XRD相成分分析可知，接頭斷口兩側均能檢測到Al0.403Zn0.597、MgZn2，說明AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭斷裂發生Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相區.由上述斷口分析可知，中間層中加入適量的La能夠細化中間層的顯微組織，進而增加接頭強度；但是當La加入過量時，接頭中會出現大量Zn-Al-La三元化合物，從而對接頭微觀組織產生割裂作用，反而降低了接頭強度.

(a)x=0接頭鋼側

3 結論

(1)AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭由鎂基體、中間層與鎂的反應區、殘余中間層、中間層與鋼的反應區、鋼基體組成.對接頭進行剪切強度測定后，發現接頭的斷裂位置主要發生在Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相區.當La的含量為0.05%時，接頭達到最大剪切強度為70 MPa；

(2)當中間層中加入適量的稀土La時，由于La在Zn和Al中的固溶度很小，因此在凝固過程中，稀土La將會沿固液界面富集，從而抑制鋁基先析出相的增大，使粗大的樹枝狀鋁基先析出相減少，球狀的鋁基先析出相增多.但是當La加入含量過高時，固液界面前沿的La會與Zn和Al形成Zn-Al-La三元化合物而析出，從而使其對微觀組織的細化作用減弱.