MG/AL異種材料瞬間液相過冷連接工藝研究

劉蒙恩，盛光敏

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400045)

鎂和鋁合金密度低、比強(qiáng)度高、比剛性高，作為輕質(zhì)工程結(jié)構(gòu)材料有著越來越廣闊的應(yīng)用前景[1-2]，鑒于鎂材和鋁材應(yīng)用的廣泛性和交叉性，將鎂和鋁及其合金連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)就顯得十分必要，這樣既可降低結(jié)構(gòu)重量，又可降低成本[3]。由于鋁合金和鎂合金進(jìn)行連接時容易產(chǎn)生硬而脆的 Mg-Al金屬間化合物[4-5]，在采用傳統(tǒng)的熔焊焊接方法進(jìn)行焊接時，容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、合金元素?zé)龘p和焊縫區(qū)軟化等問題[6-7]，故鋁合金零件和鎂合金零件及鋁合金和鎂合金的連接多采用機(jī)械連接，因此，大大限制了鎂材和鋁材的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者已對鎂和鋁異種材料連接進(jìn)行大量研究，Yutaka等[8]對1050鋁合金與AZ31鎂合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊(FSW)研究，焊縫中形成了金屬間化合物Mg17Al12，導(dǎo)致焊縫區(qū)硬度高達(dá)HV 200～225；劉鵬等[9-12]采用真空擴(kuò)散焊對純鎂和1070A純鋁進(jìn)行連接試驗(yàn)，接頭的最大的剪切強(qiáng)度為18.94 MPa；李線絨等[13]采用鎂鋁合金粉末或鎂鋅合金粉末連接劑的方法實(shí)現(xiàn)了鎂/鋁異種金屬的連接，試樣的最高彎曲強(qiáng)度達(dá)到22.7 MPa；Takehiko等[14]研究了Ag箔做中間層對接頭性能的影響。根據(jù) Mg-Al二元相圖，Mg和 Al部分互溶，在一定溫度條件下，形成了 MgAl和Mg2Al3等金屬間化合物。過冷工藝通過在界面處產(chǎn)生成分過冷，破壞了傳統(tǒng)TLP工藝的界面平衡狀態(tài)，使凝固過程具有不平衡結(jié)晶特征，加快了等溫凝固過程。成分過冷度的存在使傳統(tǒng)的平直界面失穩(wěn)，變成非平面狀界面;并且隨著凝固的完成，最終界面消失，形成無界面的組織均勻接頭[15]。在此，本文作者采用過冷瞬態(tài)液相擴(kuò)散連接工藝對Mg/Al異種材料進(jìn)行連接試驗(yàn)，對接頭進(jìn)行性能測試，并對接頭結(jié)構(gòu)及拉伸斷口進(jìn)行微觀分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為AZ31鎂合金和5083鋁合金的棒材，規(guī)格為d16 mm×35 mm。材料的化學(xué)成見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of tested materials %

1.2 試驗(yàn)方法

將AZ31鎂合金和5083鋁合金的連接端面用水砂紙打磨并拋光。焊接前，對拋光后的試樣放在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，以去除試樣端面的油污和雜質(zhì)，經(jīng)酒精沖洗后，為防止鎂合金與鋁合金在空氣中再次氧化，直接將帶有乙醇液膜的試樣裝入 Gleeble-1500D型熱模擬試驗(yàn)機(jī)中。

鎂合金與鋁合金試樣裝配如圖1所示，將2種材料經(jīng)過拋光清洗的端面對接，采用 Ni-Cr/Ni-Al 熱電偶進(jìn)行測溫，熱電偶焊于鋁合金側(cè)距界面1 mm 處，為了避免試樣與夾具在高溫下發(fā)生黏結(jié)，在二者之間加入鉭片。連接時的真空度為1×10-2Pa。

圖1 試樣裝配圖Fig.1 Assembly of samples

Mg/Al異種材料瞬間液相過冷連接工藝如圖2所示，為探討保溫?cái)U(kuò)散時間t2對接頭性能的影響，選擇4個不同的保溫?cái)U(kuò)散時間(分別是0，5，10和20 min)，升溫和降溫速度均為10 ℃/s，焊接過程中施加2 MPa的軸向壓力。

圖2 Mg/Al過冷TLP連接工藝參數(shù)曲線Fig.2 Super-cooled process for transient liquid phase (TLP)bonding of Mg/Al

將拉伸試樣在新三思CMT5105 型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，加載速率為0.1 mm/min；用微觀硬度計(jì)對結(jié)合界面及附近母材的硬度變化進(jìn)行測試；用Vega Tescan 型電子掃描顯微鏡(SEM)對拉伸斷口和接頭剖面的組織進(jìn)行觀察和分析；并用D/MAX-1400型X線衍射儀對拉伸斷口試樣進(jìn)行X線衍射試驗(yàn)，以便對試樣的組織和物相進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果及分析

2.1 接頭微觀組織觀察

采用掃描電鏡(SEM)對Mg/Al瞬間液相過冷連接接頭顯微組織進(jìn)行觀察。圖3所示為t2=0～30 min不同工藝的顯微組織圖片。試驗(yàn)結(jié)果表明4種工藝均形成了有效連接，從圖3(a)可以看出：由于在試樣兩端施加了2 MPa的壓力，在壓力作用下，多余的液相被擠壓出去，同時促進(jìn)了液相的均勻鋪展，但是由于時間較短，2個試樣只是靠液相的潤濕性連接在一起，擴(kuò)散層厚度非常薄。對比圖3(a)和3(b)可以看出：相對圖3(a)，圖3(b)已經(jīng)存在一定厚度的擴(kuò)散層。隨著t2的延長，熔合擴(kuò)散層逐漸增厚，對比圖3(c)和3(d)可以看到：隨著擴(kuò)散時間的延長，擴(kuò)散層的組織和成分更加均勻。由于過冷連接工藝在液相區(qū)形成了一個過冷溫度，打破了連接面的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致液相結(jié)晶過程中形成了成分過冷，改善晶體生長方式從而加速了元素的擴(kuò)散和界面移動。

2.2 接頭強(qiáng)度分析

為了更加全面地對焊接接頭的性能進(jìn)行表征，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：擴(kuò)散時間t2=0～30 min時，隨著保溫?cái)U(kuò)散時間t2的延長，抗拉強(qiáng)度逐漸增大，這是由于隨著保溫?cái)U(kuò)散時間的延長，接頭與母材之間的元素相互擴(kuò)散更加充分，隨著保溫?cái)U(kuò)散時間的延長，抗拉強(qiáng)度的增長趨勢逐漸減弱。當(dāng)t2=30 min時，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到20.4 MPa。

圖3 接頭SEM顯微組織Fig.3 SEM microstructures of joint

圖4 連接接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of bonded joints

2.3 接頭斷口分析

圖5 30 min下過冷TLP接頭拉伸斷口的SEMFig.5 Tensile fracture SEM of joint at 30 min

利用SEM對t2=30 min試樣的拉伸斷口進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見：鋁側(cè)斷口形貌屬于準(zhǔn)解理，有臺階和撕裂棱；鎂側(cè)斷口形貌掃描圖片呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂形貌，在鎂和鋁兩側(cè)均存在一些白色點(diǎn)狀新相，屬于Mg-Al系金屬間化合物，正是由于這些金屬間化合物的存在，使接頭強(qiáng)度較低。

2.4 接頭剖面硬度及XRD分析

用顯微硬度計(jì)對接頭剖面進(jìn)行硬度測定，顯微硬度分布如圖6所示。硬度分布分為3個區(qū)間：鋁合金母材、熔合擴(kuò)散區(qū)和鎂合金母材，熔合擴(kuò)散區(qū)的硬度明顯高于母材，最高維氏硬度達(dá)到 320，這與微觀組織觀察結(jié)果一致，由于金屬間化合物的生成，導(dǎo)致熔合擴(kuò)散區(qū)硬度明顯升高。

為了進(jìn)一步確定熔合擴(kuò)散區(qū)形成的金屬間化合物種類，對接頭剖面進(jìn)行X線衍射分析，結(jié)果如圖7所示。接頭中形成了 MgAl，MgAl2，Mg2Al3，Mg0.44Al0.56和Mg17Al125種金屬間化合物，這是導(dǎo)致熔合擴(kuò)散區(qū)硬度升高的主要原因，同時，由于這些金屬間化合物的存在，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不高。

圖6 Mg/Al過冷TLP接頭結(jié)合界面顯微硬度分布Fig.6 Distribution of microhardness in interface of Super-cooled transient liquid phase of Mg/Al

圖7 t2=30 min時過冷TLP接頭剖面X線衍射分析Fig.7 X-ray diffraction pattern of longitudinal section of super-cooled TLP joint at t2=30 min

3 結(jié)論

(1) 采用過冷TLP連接工藝可以實(shí)現(xiàn)Mg/Al異種材料的有效連接，在采用2 MPa恒壓的情況下，隨著保溫?cái)U(kuò)散時間t2的延長，接頭的抗拉強(qiáng)度隨之增高，當(dāng)t2=30 min時，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到20.5 MPa。

(2) 接頭的微觀硬度分布分為 3個區(qū)：鋁合金母材、熔合擴(kuò)散區(qū)和鎂合金母材，熔合擴(kuò)散區(qū)的硬度明顯高于母材，最高維氏硬度達(dá)320。

(3) 鋁側(cè)斷口形貌屬于準(zhǔn)解理，有臺階和撕裂棱，鎂側(cè)斷口形貌呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂形貌，在鎂和鋁兩側(cè)均存在一些白色點(diǎn)狀新相，屬于Mg-Al系金屬間化合物，經(jīng)X線衍射分析表明：接頭過渡區(qū)存在MgAl，MgAl2，Mg2Al3，Mg0.44Al0.56和 Mg17Al125 種金屬間化合物。

[1]Schubert E, Klassen M, Zemer I, et al. Light-weight structures produced by laser beam joining for future applications in automobile and aerospace industry[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 115(2): 2-8.

[2]黃伯云. 我國有色金屬材料現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(5): 122-127.HUANG Bai-yun. Status and developing strategy for China nonferrous metal materials industry[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(5): 122-127.

[3]Mordike B L, Ebert T. Magnesium: Properties-applicationspotential[J]. Materials Science and Engineering A, 2001, 302(1):37-45.

[4]王東, 劉杰, 肖伯律, 等. 鋁合金/鎂合金攪拌摩擦焊接界面處 Mg/Al反應(yīng)及接頭力學(xué)性能[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2010, 46(5):589-594.WANG Dong, LIU Jie, XIAO Bo-lü, et al. Mg/Al reaction and mechanical properties of Al alloy/Mg alloy friction stir welding joints[J]. Acta Metal Sin, 2010, 46(5): 589-594.

[5]譚成文, 郭冠偉, 王瀟屹. AZ31鎂合金表面液相滲鋁的工藝與性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2007, 17(7): 1053-1057.TAN Cheng-wen, GUO Guan-wei, WANG Xiao-yi. Processes and properties of liquid aluminized coating on AZ31 magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007, 17(7):1053-1057.

[6]Weisheit A, Galun R, Mordike B L. CO2laser beam welding of magnesium based alloys[J]. Welding Journal, 1998, 77(4):149-154.

[7]Munitz A, Cotler C, Shaham H, et al. Electron beam welding of magnesium AZ91D plates[J]. Welding Journal, 2000, 79(7):202-208.

[8]Yutaka S S, Seung H C P, Michiuchi M, et al. Constitutional liquation during dissimilar friction stir welding of Al and Mg alloys[J]. Scripta Materialia, 2004, 50(9): 1233-1236.

[9]劉鵬, 李亞江, 王娟, 等. Mg/Al異種材料真空擴(kuò)散焊界面區(qū)域的顯微組織[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2004, 25(5): 5-8.LIU Peng, LI Ya-jiang, WANG Juan, et al. Microstructure in interface zone of diffusion-bonded joint of Mg/Al dissimilar materials[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2004,25(5): 5-8.

[10]LIU Peng, LI Ya-jiang. A study of phase constitution near the interface of Mg/Al vacuum diffusion bonding[J]. Materials Letters, 2005, 59(16): 2001-2005.

[11]LIU Peng, LI Ya-jiang. Investigation of interfacial structure of Mg/Al vacuum diffusion-bonded joint[J]. Vacuum, 2006, 80(5):395-399.

[12]劉鵬, 李亞江, 王娟. Mg/Al異種材料擴(kuò)散焊界面組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2007, 28(6): 45-48.LIU Peng, LI Ya-jiang, WANG Juan. Microstructure and properties near interface zone of diffusion bonded joint for Mg/Al dissimilar materials[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(6): 45-48.

[13]李線絨, 梁偉, 趙興國, 等. 共晶合金中間層連接鎂/鋁異種金屬的界面組織及結(jié)合強(qiáng)度研究[J]. 稀有金屬材料與工程,2008, 37(11): 2016-2019.LI Xian-rong, LIANG Wei, ZHAO Xing-guo, et al. Study on the microstructures and bond strength of Mg/Al heterogenous metal bonded with eutectic alloy interlayer[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(11): 2016-2019.

[14]Takehiko W, Yoshitaka S. Resistance spot welding of a magnesium alloy AZ31B plate to a 1050 aluminum plate using Ag insert metal[J]. Journal of Japan Institute of Light Metals,2004, 54(7): 293-297.

[15]王學(xué)剛, 李辛庚, 嚴(yán)黔. 瞬間液相連接的過冷連接新工藝[J].金屬學(xué)報(bào), 2007, 43(10): 1096-1100.WANG Xue-gang, LI Xin-geng, YAN Qian. A novel bonding process: Super-cooled transient liquid phase bonding[J]. Acta Metal Sin, 2007, 43(10): 1096-1100.