2219鋁合金/1Cr18Ni9Ti不銹鋼慣性摩擦焊缺陷特征及成因

劉招，蘭玲，王廷，張軻，蔣思遠(yuǎn)

(1.上海交通大學(xué)，上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209)

0 前言

鋁合金具有高的比強(qiáng)度、比模量、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕穩(wěn)定性，是航天工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在大氣或腐蝕性介質(zhì)中具有良好的耐蝕能力，在航空領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。航天領(lǐng)域中燃料貯箱與發(fā)動機(jī)導(dǎo)管連接是較為典型的鋁/鋼異種材料連接結(jié)構(gòu)。鋁合金與鋼連接結(jié)構(gòu)具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢[1]。然而鋁合金/鋼異種金屬焊后接頭存在Fe-Al脆性金屬間化合物(FeAl，F(xiàn)eAl3，F(xiàn)e2Al5)，當(dāng)其生長到臨界厚度會對接頭性能產(chǎn)生不利影響[2-3]。二者的焊接一直是業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)問題。

與熔化焊相比，采用慣性摩擦焊(Inertia friction welding, IFW)連接鋁和鋼，母材不發(fā)生熔化能夠有效抑制金屬間化合物的生長[4]。張麗娜等人[5]采用慣性摩擦焊技術(shù)進(jìn)行2219鋁合金與304不銹鋼回轉(zhuǎn)體的連接，分析測試結(jié)果表明鋁/鋼界面處發(fā)生了Fe，Al等元素的擴(kuò)散，鋁合金側(cè)形成了細(xì)晶區(qū)和拉長晶區(qū)。Taban等人[6]對6061鋁合金/不銹鋼展開慣性摩擦焊工藝研究，結(jié)果表明界面處生成了Fe2Al5金屬間化合物。Ash-faq等人[7]對摩擦焊件的結(jié)合面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)采用外錐形的結(jié)合面有利于金屬間化合物及雜質(zhì)的排出。上述研究主要圍繞界面化合物層的產(chǎn)生展開，在應(yīng)用中，鋁/鋼摩擦焊界面還容易出現(xiàn)由于材料塑性流動不充分而導(dǎo)致的未焊合缺陷，同樣會弱化接頭性能，限制了鋁/鋼異種接頭的應(yīng)用。

該研究采用慣性摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)2219鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼回轉(zhuǎn)體的連接。重點(diǎn)分析了慣性摩擦焊接接頭組織及缺陷的成因，為工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用母材為2219鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，將焊件加工成圓環(huán)形錐面試樣，外徑140 mm，內(nèi)徑118 mm。并根據(jù)設(shè)備需求預(yù)留加工量。慣性摩擦焊接過程中，保持頂鍛壓力、轉(zhuǎn)動慣量不變，旋轉(zhuǎn)速度變化范圍1 300～1 700 r/min，工藝參數(shù)見表1。焊接完成后對工件進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，并對慣性摩擦焊縫進(jìn)行熒光缺陷檢測。選取典型工件，針對熒光檢測得出的不同特征顯影將環(huán)焊縫劃分為不同特征區(qū)域分別取樣進(jìn)行觀察分析。

表1 2219鋁合金/1Cr18Ni9Ti不銹鋼慣性摩擦焊工藝參數(shù)

采用OLYMPUS DSX-510光學(xué)顯微鏡對焊縫橫截面形貌進(jìn)行觀察，分析焊縫不同位置的組織形態(tài)，并對摩擦焊產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行初步觀察。使用Zeiss MERLIN Compact場發(fā)射掃描電子顯微鏡對界面化合物及缺陷附近的微觀組織進(jìn)行了觀察，并利用其配備的能譜系統(tǒng)對焊縫進(jìn)行了EDS分析，研究元素?cái)U(kuò)散情況及分布規(guī)律。

2 焊縫形貌及缺陷分析

2.1 鋁側(cè)顯微組織及缺陷分布

微觀組織觀察表明，鋁/鋼慣性摩擦焊接頭鋁合金側(cè)可分為細(xì)晶區(qū)、拉長晶區(qū)及母材區(qū)，如圖1a和圖1b所示。焊縫及靠近焊縫的熱力影響區(qū)為均勻的細(xì)晶組織，這是由于慣性摩擦焊界面附近溫度高于鋁合金的再結(jié)晶溫度Tr，金屬材料發(fā)生再結(jié)晶，呈現(xiàn)為細(xì)小等軸狀組織[8]。等軸細(xì)晶區(qū)向母材過渡側(cè)存在沿摩擦剪切方向拉長的變形晶區(qū)，并伴有少量的動態(tài)再結(jié)晶組織。變形晶區(qū)由于晶粒取向、變形程度不同，腐蝕后呈現(xiàn)一定的顏色差異，如圖1b所示。鋁合金側(cè)不均勻分布的深灰色條帶狀組織放大觀察后發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是偏聚的沉淀相顆粒，在腐蝕劑的作用下呈現(xiàn)明顯的灰黑色，如圖1c所示。

圖1 鋁合金側(cè)光學(xué)顯微組織

試驗(yàn)所用2219鋁合金母材為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，以沉淀強(qiáng)化為主要強(qiáng)化途徑。供貨態(tài)為固溶加時(shí)效處理，室溫平衡組織為鋁基固溶體(α相)+CuAl2(θ相)。在摩擦焊接過程中，熱和力的劇烈耦合作用使界面附近鋁合金發(fā)生了類似時(shí)效處理的強(qiáng)化相脫溶過程，母材中原始沉淀相的尺寸及分布狀態(tài)將發(fā)生不同的演變，進(jìn)而影響焊接接頭缺陷的分布。由于接頭不同部位熱力作用效果的差異，沉淀強(qiáng)化相θ隨塑性金屬流動發(fā)生聚集形成灰色條帶狀組織。同時(shí)母材中的原始沉淀相經(jīng)歷熱循環(huán)過程后又會發(fā)生粗化。發(fā)生脫溶的α相易于吸引周圍金屬的Cu原子以形成新的鋁基固溶體，將會造成條帶組織處Cu元素的偏聚。界面附近鋁側(cè)組織、元素的不均勻分布勢必會給接頭的整體性能帶來不利影響，為孔洞缺陷的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

在試驗(yàn)所選工藝參數(shù)下，環(huán)焊縫靠近外邊緣鋁合金側(cè)觀察到未焊合孔洞缺陷，減小了有效連接面積，嚴(yán)重影響接頭的性能，如圖2所示。孔洞缺陷附近金屬熱加工流線發(fā)生了變形，邊界呈現(xiàn)出波浪狀，并在其周圍發(fā)生沉淀相顆粒的聚集。有孔洞缺陷存在的區(qū)域，灰色帶狀組織分布的不均勻程度增大，發(fā)生了一定的卷曲。

圖2 未焊合孔洞缺陷

鋁/鋼界面金屬間化合物層厚度沿環(huán)焊縫徑向存在差異，如圖3所示。在出現(xiàn)孔洞缺陷的環(huán)形焊縫外邊緣處，界面生成了厚度均勻的金屬間化合物層。這是因?yàn)榫鄨A心不同距離，待連接試件的相對旋轉(zhuǎn)速度不同，越靠近邊緣處相對旋轉(zhuǎn)速度越大，摩擦加熱效果越明顯。圖3a所示區(qū)域位于環(huán)形焊縫徑向內(nèi)側(cè)部位，線速度小沒有足夠的摩擦熱，鋁/鋼界面無金屬間化合物產(chǎn)生。圖3b所示界面位于徑向靠外側(cè)處，線速度及摩擦熱相對中心區(qū)域較高，生成薄層化合物。圖3c所示界面位于徑向外邊緣處，線速度及摩擦熱輸入最大，生成了厚度約為2 μm的化合物層。試驗(yàn)所選工藝參數(shù)下生成的金屬間化合物屬硬脆相[9]，在其生成量較多的環(huán)形焊縫外邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中并阻礙鋁側(cè)金屬的塑性流動，對該位置附近孔洞缺陷的產(chǎn)生起到了促進(jìn)作用。

圖3 不同界面區(qū)域化合物層形貌

通過對不同特征區(qū)域缺陷試樣觀察發(fā)現(xiàn)，孔洞多出現(xiàn)在鋁合金側(cè)的拉長晶區(qū)，形態(tài)近似呈三角形。在微孔形成的過程中，等軸細(xì)晶區(qū)的晶界長度更大，對微孔萌生的阻礙作用更強(qiáng)。拉長晶區(qū)晶粒大小不一，且變形晶粒的晶界沿金屬流線方向取向性分布，其對微孔、微裂紋形成的阻礙作用不及細(xì)晶區(qū)。根據(jù)孔洞的三角形態(tài)判斷，微孔、微裂紋是在三個(gè)晶粒交界處萌生，在熱力作用下形成晶界復(fù)熔三角形，并沿晶界擴(kuò)展發(fā)生楔形開裂。

2.2 缺陷附近化合物及形成機(jī)理

孔洞缺陷的產(chǎn)生會給接頭的使用性能帶來不利影響，為探究其形成機(jī)理，在缺陷位置進(jìn)行掃描電子顯微鏡高倍數(shù)觀察，并對孔洞附近的顆粒物質(zhì)及特征區(qū)域進(jìn)行EDS能譜、面掃描分析。圖4為孔洞缺陷處EDS分析，分析結(jié)果見表2，缺陷附近元素分布較為復(fù)雜，不均勻地分布著Al，F(xiàn)e，Cu，Cr等金屬元素及O等非金屬元素。由面掃描分析結(jié)果可知，孔洞缺陷附近條帶組織處發(fā)生了Cu，O元素的聚集，如圖5所示。

圖4 孔洞缺陷處EDS分析

圖5 鋁合金側(cè)化合物條帶面掃描分析

表2 缺陷附近元素分布(原子分?jǐn)?shù)，%)

與2219鋁合金母材原始成分相比，孔洞附近的Cu元素含量明顯升高，點(diǎn) 1、點(diǎn)3、點(diǎn)5可達(dá)2%以上(原子分?jǐn)?shù))。推測在此處Cu元素發(fā)生偏聚并與基體發(fā)生反應(yīng)形成了Al-Cu金屬間化合物。作為過剩相存在的Al-Cu金屬間化合物聚集分布產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致合金脆性增加。

在孔洞的中心區(qū)域(點(diǎn)5)存在13.34 %的Fe元素，可能是在摩擦剪切過程中破碎的不銹鋼屑與塑性的鋁側(cè)金屬混合攪拌造成的。Fe元素的摻入破壞了材料的連續(xù)性，會對接頭的性能產(chǎn)生不利影響。此外在孔洞附近還發(fā)生了O元素的聚集，最高可達(dá)86.65%(點(diǎn)6)。在電子顯微鏡下呈現(xiàn)亮白色的相O元素含量較高，推測其為氧化物夾雜。由于Al和Cu均與O有較強(qiáng)的親和力，在慣性摩擦焊接過程中由于產(chǎn)生的高溫增加了金屬的活潑性，極易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CuO，Cu2O和Al2O3等多種氧化物，這些氧化物會阻礙材料的塑性流動，同時(shí)易在晶界處形成低熔共晶體，降低了接頭性能。O元素的偏聚還會帶來微裂紋、微孔的尖端高溫氧化效應(yīng)，使材料抗缺陷擴(kuò)展能力下降。O的來源有可能是焊前試件表面未清理干凈的水、油污等雜質(zhì)，也有可能是機(jī)械打磨后殘留的Al2O3薄膜。

3 結(jié)論

(1)在摩擦焊熱力耦合作用下，在鋁合金側(cè)拉長晶區(qū)材料發(fā)生顯著塑性流動，形成深灰色條帶狀組織，孔洞缺陷多出現(xiàn)于條帶組織處。

(2)在環(huán)焊縫鋁合金側(cè)靠近外邊緣處觀察到未焊合孔洞缺陷。缺陷附近能譜、面掃描分析表明，Cu，O元素在孔洞周圍發(fā)生偏聚，生成的脆性金屬間化合物和氧化物會造成應(yīng)力集中，阻礙金屬塑性流動，降低接頭力學(xué)性能。

(3)環(huán)焊縫徑向不同位置處由于熱輸入的差異生成了不同厚度的金屬間化合物層。外邊緣處界面形成了厚度約2 μm的Al-Fe金屬間化合物層，阻礙鋁側(cè)金屬的塑性流動。