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(lái)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(shí)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(shí)，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(wèn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鎂和鋁異種材料連接進(jìn)行大量研究，Yutaka等[8]對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)冷工藝通過(guò)在界面處產(chǎn)生成分過(guò)冷，破壞了傳統(tǒng)TLP工藝的界面平衡狀態(tài)，使凝固過(guò)程具有不平衡結(jié)晶特征，加快了等溫凝固過(guò)程。成分過(guò)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(wú)界面的組織均勻接頭[15]。在此，本文作者采用過(guò)冷瞬態(tài)液相擴(kuò)散連接工藝對(duì)Mg/Al異種材料進(jìn)行連接試驗(yàn)，對(duì)接頭進(jìn)行性能測(cè)試，并對(duì)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(jiàn)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(duì)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(guò)拋光清洗的端面對(duì)接，采用 Ni-Cr/Ni-Al 熱電偶進(jìn)行測(cè)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(shí)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(guò)冷連接工藝如圖2所示，為探討保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t2對(duì)接頭性能的影響，選擇4個(gè)不同的保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間(分別是0，5，10和20 min)，升溫和降溫速度均為10 ℃/s，焊接過(guò)程中施加2 MPa的軸向壓力。

圖2 Mg/Al過(guò)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(duì)結(jié)合界面及附近母材的硬度變化進(jìn)行測(cè)試；用Vega Tescan 型電子掃描顯微鏡(SEM)對(duì)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(duì)拉伸斷口試樣進(jìn)行X線衍射試驗(yàn)，以便對(duì)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(duì)Mg/Al瞬間液相過(guò)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(shí)促進(jìn)了液相的均勻鋪展，但是由于時(shí)間較短，2個(gè)試樣只是靠液相的潤(rùn)濕性連接在一起，擴(kuò)散層厚度非常薄。對(duì)比圖3(a)和3(b)可以看出：相對(duì)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(zhǎng)，熔合擴(kuò)散層逐漸增厚，對(duì)比圖3(c)和3(d)可以看到：隨著擴(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng)，擴(kuò)散層的組織和成分更加均勻。由于過(guò)冷連接工藝在液相區(qū)形成了一個(gè)過(guò)冷溫度，打破了連接面的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致液相結(jié)晶過(guò)程中形成了成分過(guò)冷，改善晶體生長(zhǎng)方式從而加速了元素的擴(kuò)散和界面移動(dòng)。

2.2 接頭強(qiáng)度分析

為了更加全面地對(duì)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(shí)間t2=0～30 min時(shí)，隨著保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間t2的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度逐漸增大，這是由于隨著保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)t2=30 min時(shí)，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(guò)冷TLP接頭拉伸斷口的SEMFig.5 Tensile fracture SEM of joint at 30 min

利用SEM對(duì)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(jiàn)：鋁側(cè)斷口形貌屬于準(zhǔn)解理，有臺(tái)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(duì)接頭剖面進(jìn)行硬度測(cè)定，顯微硬度分布如圖6所示。硬度分布分為3個(gè)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(lèi)，對(duì)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(shí)，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(guò)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(shí)過(guò)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(guò)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(shí)間t2的延長(zhǎng)，接頭的抗拉強(qiáng)度隨之增高，當(dāng)t2=30 min時(shí)，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(gè)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(tái)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(guò)渡區(qū)存在MgAl，MgAl2，Mg2Al3，Mg0.44Al0.56和 Mg17Al125 種金屬間化合物。

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