Ti5Si3 含量對SiCp/2009Al 激光填粉焊接頭組織性能的影響

趙明娟，程梓威，趙龍志,2,3，劉德佳,3，焦海濤,3，唐延川，余 夢

（1.華東交通大學載運工具先進材料與激光增材制造南昌市重點實驗室，江西 南昌330013； 2.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室，江西 南昌330013； 3.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013； 4.南昌鐵路局通達工貿有限責任公司，江西 南昌330002）

SiC 顆粒增強鋁基復合材料具有比強度高、尺寸穩定性強、耐磨性好等優點，這些優點使SiC 顆粒增強鋁基復合材料在船舶、航空航天以及汽車制造等領域擁有廣闊的應用前景[1-4]。 但是，在復合材料的熔化焊接過程中SiC 顆粒容易與Al 反應生成Al4C3脆性相，大大降低接頭的力學性能[5-6]；因此研究SiCp/Al 復合材料中Al4C3脆性相的抑制具有重要意義。

目前，針對SiC 顆粒增強鋁基復合材料熔化焊接過程中容易產生Al4C3脆性相的問題， 主要有以下兩種解決方法：一是熱輸入控制法[7]，通過精準控制溫度場，破壞Al4C3脆性相反應的熱力學條件，抑制Al4C3脆性相的生成， 研究表明當激光功率逐漸增加并加大激光掃描速率時，能精確控制焊縫的溫度場并抑制Al4C3脆性相的生成。 但熱輸入控制法通常無法完全避免Al4C3脆性相的生成， 且超高的激光功率對設備的要求更高。 二是中間夾層法[8-9]，該方法通過在待焊板材焊縫處設置金屬中間夾層（如Zr，Ti 及Ti 的合金等） 以達到保護母材并進一步抑制Al4C3脆性相生成的目的， 中間夾層法雖然能完全抑制Al4C3脆性相的生成， 但該方法往往采用成本較高的金屬或合金，且接頭強度受夾層金屬的性能影響大，工藝穩定性不高。 現有的針對Al4C3脆性相的研究都有效果，但也存在部分問題，因此，對SiC 顆粒增強鋁基復合材料激光熔化焊接過程中容易產生Al4C3脆性相的研究仍有很大的意義。

SiC 顆粒增強鋁基復合材料激光熔化焊中產生的Al4C3脆性相， 主要來源于SiC 顆粒與Al 的反應， 抑制這一過程的發生可以從以下兩方面進行：一是抑制C 元素與Al 元素的反應， 二是抑制SiC顆粒的分解過程。研究表明[10-11]，Ti 元素在高溫下和C 元素發生反應生成TiC， 且TiC 的自由能低于Al4C3，因此可通過向焊縫中添加金屬元素Ti 抑制C元素與Al 元素的反應。 Si 的濃度在SiC 顆粒分解反應過程中能起到調節作用，加入Si 元素能使SiC顆粒分解的正向反應過程得到抑制。 相比于夾層法，復合粉末具有更高的可設計性，可避免單一夾層性能不足的缺點， 因此本研究采用含Ti，Si 的復合粉末對SiCp/2009Al 進行激光填粉焊接。 其中粉末的設計起到了關鍵作用， 通過對粉末進行設計，合理的添加Si，Ti 元素可以有效抑制Al4C3的生成。為了探究這一方法的可行性，采用（Ti5Si3）x（AlSi12）1-x（x=10%，20%，30%，40%，50%） 的復合粉末對SiCp/2009Al 的激光填粉焊接， 探究Ti5Si3含量對焊接接頭組織及力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用母材為寶航新材料有限公司提供的15vol.%SiCp/2009Al 鋁基復合材料,增強體SiC 顆粒平均尺寸為5 μm， 均勻分布于2009 鋁合金基體中， 2009 鋁合金主要含有Al，Mg，Cu，其中Cu 的質量分數為3.2%～4.4%，Mg 的質量分數為1.0%～1.6%，Al 為余量。 焊接試驗中使用的填充粉末由純度99.4%，粒徑大小為48～109 μm 的Al，Si，Ti 粉末配制而成，比例為（Ti5Si3）x（AlSi12）1-x，其中x=10%，20%，30%，40%，50%。

1.2 實驗方法

首先將母材切成30 mm×50 mm×2 mm 的板材,并開30°坡口， 對切割后的板材進行超聲波清洗去除油污；然后按比例配制粉末研磨30 min，并在80 ℃的真空爐中進行120 min 的保溫烘干。試驗所使用的激光器為大族激光生產的Laser HCX60 激光器：IPG YLS-4000-cl 光纖激光器，可輸出連續波和脈沖波兩種波形， 最大輸出功率為3 000 W，試驗采用連續激光進行激光填粉焊接以便獲得更好的焊縫成形效果， 焊接過程中采用DPSF-2 送粉器以同軸送粉方式進行送粉， 送粉速度為8 g/min；焊接工藝采用激光功率1 200 W，激光掃描速度0.72 m/min。

焊接完成后采用線切割設備將焊件沿垂直焊縫的方向切開制取8 mm×10 mm×2 mm 的金相試樣,打磨、拋光后在金相顯微鏡下觀察其微觀組織形貌并拍攝金相照片。使用HV100001s 顯微硬度計測試焊接接頭硬度分布，測試壓力50 N，壓力保持時間10 s。 焊縫金屬的具體成分和微觀形貌通過配置EDS 能譜儀的HITACHI SU8010 電子掃描顯微鏡觀察分析，拉伸實驗在島津AG-X plus100N-100 kN萬能試驗機上進行，拉伸速度1 mm/min。 XRD 測試在日本理學Smart Lab 9 kW X 射線衍射儀上進行，掃描角度范圍為20°～100°，掃描速度為1°/min。

2 結果及分析

2.1 接頭形貌及組織

圖1 為填充粉末中含20% Ti5Si3的焊接接頭形貌，從圖中可以看出，接頭焊縫無缺陷，觀察到有少量SiC 顆粒分布于焊縫中部和熔合區附近，并有少量Ti 聚集相分布于焊縫界面處，焊縫中未見針狀脆性相組織；母材未過度熔化，熔合區無變形，兩側熔合區夾角呈30°，與母材原始坡口角度一致；焊縫兩側母材側未見明顯的熱影響區。Ti5Si3粉末的加入有效改善了接頭整體質量，Ti 元素對C 的捕獲作用抑制了焊縫中Al4C3脆性相的生成， 復合粉末中Si 元素的加入能有效提高SiC 顆粒在鋁基體中的潤濕性、促進母材與填充粉末的熔合，形成結合良好的熔合區形貌。 提高復合粉末中的Si 含量，有助于提高Si 的活度，抑制生成脆性相的界面反應。最終，在復合粉末中Ti，Si 元素補償的共同作用下得到了優異的焊接接頭。

圖1 填充粉末中含20% Ti5Si3 的焊接接頭形貌Fig.1 Morphology of welded joints filled with powder containing 20% Ti5Si3

填充粉末中Ti5Si3含量對接頭焊縫組織的影響如圖2 所示， 圖中可以看到， 焊縫中存在α-Al 基體、Al3Ti 相、Ti 聚集相和SiC 顆粒。 隨Ti5Si3含量的增加，焊縫中的層片狀組織分布密度和尺寸先減小后增大， 焊縫中心處的Al3Ti 組織中存在散落分布的少量SiC 顆粒，原因是填充粉末中加入的Si 元素有效提高了焊接過程中SiC 顆粒在鋁基體中的潤濕性，并促進了母材與填充粉末的熔合，使母材僅少量熔化并脫出SiC 顆粒，然后被流動的熔池裹挾至焊縫中，在熔池冷卻過程中SiC 顆粒被逐漸長大的Al3Ti 組織包裹， 形成了如圖3 所示的焊縫典型組織。并且在后續如表1 所示的焊縫組織EDS 點掃各元素含量比例結果， 結合圖4 的XRD 物相結果分析可知，確定層片狀組織為Al3Ti。 Al3Ti 組織密度發生變化的原因如下：當Ti 含量較低時容易在界面處發生富集， 且富集量隨著Ti 元素含量增加而增大，因此當Ti5Si3含量較低時，焊縫中的Al3Ti 組織密度會隨著Ti5Si3含量的增加而有所減少； 但當Ti元素含量較高時，Ti 元素在界面處的富集現象開始減少， 因此焊縫中的Al3Ti 組織密度和尺寸便會隨著Ti5Si3含量的增加開始增大。并且隨Ti5Si3含量的增加，Al3Ti 組織由密集的大片層片狀形態， 變為較分散的長條狀組織，并且尺寸逐漸減小，最終又變為稍密集的層片狀組織的趨勢。這一現象與Ti 含量及Ti 元素在熔池中的存在形式有關，Ti 含量較低時主要以層片狀Al3Ti 形式存在，Ti 含量開始增加時，Ti 元素傾向于在焊縫界面處大量聚集形成顆粒狀Ti 聚集相， 層片狀組織的尺寸和密度開始減小，Ti 含量進一步增加后，Ti 元素在界面處的聚集開始減少，焊縫中大量的Ti 元素開始生成密集的層片狀Al3Ti 組織。

表1 填充粉末中含20% Ti5Si3 的接頭焊縫中心各點元素含量表Tab.1 Table of element content at each point in the center of joint weld seam containing 20% Ti5Si3 in powder filling

圖2 填充粉末中Ti5Si3 含量對接頭焊縫組織的影響：（a）10%；（b）20%；（c）30%；（d）40%；（e）50%Fig.2 The effect of Ti5Si3 content in filling powder on the microstructure of joint welds：（a） 10%； （b） 20%； （c） 30%；（d） 40%； （e） 50%

圖3 填充粉末中含20% Ti5Si3 的接頭焊縫中心EDS 元素點掃照片Fig.3 EDS element point scanning photo of the center of the joint weld seam containing 20% Ti5Si3 in the filling powder

圖4 填充粉末中含20% Ti5Si3 的接頭焊縫XRDFig.4 XRD of joint welds containing 20% Ti5Si3 in filling powder

填充粉末中Ti5Si3含量對接頭熔合區的影響如圖5 所示，從圖中可知，隨Ti5Si3含量提高，熔合區形態完整度先提高后降低， 熔合區寬度先減小后增大。 產生這一現象的原因是隨著Ti 含量的增加，填充粉末對激光能量吸收率發生變化， 坡口處母材吸收的能量先減小后增大， 導致坡口處熔合區的寬度先減小后增大， 熔合區形態隨著坡口處母材吸收能量的大小變化。 填充粉末吸收了大部分的激光能量并保護了坡口處的母材， 使熔合區的SiC 顆粒在焊接過程中只有少量脫出并游離分布于焊縫中， 最終得到熔合區無間隙、形態保持完整的接頭。熔合區往往是鋁基復合材料焊接過程中反應最復雜的區域，也是Al4C3脆性相生成的初始區域， 在圖5 中未觀察到Al4C3脆性相的生成， Ti5Si3的加入有效抑制了焊接過程中界面反應的發生和Al4C3脆性相的生成。 因此，添加適量的Ti5Si3能有效抑制界面反應的發生，減少熔合區母材熔化，并最終達到抑制Al4C3脆性相生成的目的，且在能得到如圖5（b）所示的面積最小、保存完好幾乎與原坡口形態相吻合的熔合區，即Ti5Si3含量20% 時對界面反應的抑制效果最好。

圖5 填充粉末中Ti5Si3 含量對接頭熔合區的影響：（a）10%;（b）20%;（c）30%;（d）40%;（e）50%Fig.5 Effect of Ti5Si3 content in filling powder on the fusion zone of joint:（a）10%;（b）20%;（c）30%;（d）40%;（e）50%

填充粉末中Ti5Si3含量對接頭熱影響區的影響如圖6 所示，從圖中可知隨Ti5Si3含量的提高，焊接接頭熱影響區寬度及缺陷先減小后增大。 熱影響區寬度是母材吸收能量多少的重要指標，該現象產生的原因是：Ti 含量較低時，填充粉末中Ti 元素的比例較低，粉體對激光的吸收率更高導致熔池溫度較高，此時熔池冷卻速率較低，母材受到大量熱傳導，導致熱影響區寬度較大，此時適當提高Ti 含量能減少這一影響；當Ti 含量繼續增加，熔池中原本吸收大量激光能量產生的Ti 聚集相開始減少，激光被粉體吸收的能量開始減少，隨著Ti 含量的增加，更多的能量被坡口處母材吸收，導致熱影響區寬度的增大。 因此，Ti 含量的變化是導致熱影響區寬度先減小后增大的主要原因。

圖6 填充粉末中Ti5Si3 含量對接頭熱影響區的影響:（a）10%;（b）20%;（c）30%;（d）40%;（e）50%Fig.6 Effect of Ti5Si3 content in filling powder on heat-affected zone of joint:(a)10%;(b)20%;(c)30%;(d)40%;(e)50%

2.2 接頭力學性能

圖7 為填充不同含量Ti5Si3粉末的焊接接頭各部位顯微硬度及焊縫平均硬度， 從圖中可以看出，隨著Ti5Si3含量的增加，焊縫平均硬度逐漸提高。 相較于母材，焊縫區的硬度均有明顯提升，這是因為焊縫中Al3Ti 的大量存在， 提高了焊縫整體的顯微硬度， 并且在焊縫中還存在彌散分布的SiC 顆粒，對焊縫起到了彌散強化的作用[12-14]，使焊縫硬化效果更為顯著；焊縫中硬度的最大值幾乎都出現于焊縫邊界處， 原因是Ti 元素在焊縫邊界處的富集，導致該區域的硬度值較焊縫中心更大。 而焊縫組織中Al3Ti 的尺寸和密度有所增加，是焊縫平均硬度隨著Ti5Si3含量的增加而逐漸增大的主要原因。且從圖中可以看出，焊縫兩側熔合區處硬度變化曲線斜率相同，即焊縫稀釋率不變，原因是復合粉末中大量存在的Si 元素增強了熔池與坡口母材間的潤濕效果，使焊縫組織與母材坡口緊密、穩定結合，得到了硬度穩定的熔合區組織。

圖7 焊接接頭各部位顯微硬度及平均硬度Fig.7 Microhardness and average hardness of various parts of welded joints

圖8 對比了填充不同含量Ti5Si3粉末的兩組焊接接頭拉伸斷口， 可以看到添加50%Ti5Si3粉末的接頭斷裂位置位于熔合線附近；從圖8（a） 中能觀察到大尺寸的Ti 聚集相暴露在斷口截面，而該相在焊縫中主要分布于熔合線附近，因此可以判斷，Ti5Si3含量過高時，Ti 的聚集相過多析出并分布于熔合線附近，在接頭受到拉應力作用時，界面處的Ti 聚集相周圍率先形成微裂紋并開始擴展，產生斷裂。 而添加20% Ti5Si3粉末的接頭斷口更平整， 無大顆粒組織，該接頭的斷裂發生在焊縫中，如圖8（b）所示，斷裂過程中解理裂紋在擴展到晶界后受到阻礙，在晶界附近形成了應力集中，使得相鄰晶粒內與最初裂紋所在晶面相交的解理面上形成新的裂紋源， 最終裂紋擴展形成圖8（b）所示的河流花樣斷口形貌。

3 結論

1） Ti5Si3的加入能減少Al 和Si 元素在熔池中反應生成脆性的Al4C3相、 減少界面反應并減小熱影響區寬度；但同時，過多的Ti 元素也容易在界面和焊縫中的異質形核點處富集并影響熔池流動性，且當接頭受拉應力時，界面處的Ti 聚集相表面會率先萌生微裂紋并使裂紋迅速擴展至焊縫,產生斷裂，導致焊接接頭強度大大降低。

2） 添加適量的Ti5Si3， 能有效抑制Al4C3的生成，增強焊縫組織結構強度，且流入焊縫的部分SiC顆粒得以完整保留在焊縫中， 作為焊縫的增強相，增加了焊縫的力學性能。

3） 添加20%的Ti5Si3粉末能得到焊接效果最好的接頭，能同時發揮Ti 元素和Si 元素對熔池內不利反應的抑制作用，并能解決各自過量產生的問題，改善了熔池與界面之間的熔合效果， 減少缺陷，有效增強了焊接接頭的力學性能，并且其抗拉強度達到了添加Ti5Si3粉末含量為50%的接頭的2.8 倍。