張鐵磊，吉澤升，趙振華

(1.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066)

由于對環(huán)境保護的日趨重視以及節(jié)能減排的要求，輕量化設(shè)計在汽車、航空領(lǐng)域成為一種趨勢[1-2]。鎂合金由于具有較低的密度、較好的力學(xué)性能以及鑄造性能，具有替代鋼鐵材料甚至鋁材的潛力。焊接是構(gòu)件成型及修復(fù)的一種重要方法，但是鎂合金焊接較易存在熱裂紋、氣孔、氧化物夾渣等問題。目前對鎂合金焊接的研究主要集中于鎂-鋁-鋅系列合金，包括AZ31[3-5]、AZ61[6-7]、AZ81[8]以及 AZ91[9-11]等，但對稀土鎂合金的焊接研究很少。

ZM6是一種以加入稀土Nd作為強化元素的鎂合金，具有較好的高溫瞬時力學(xué)性能和抗蠕變性能，主要用于使用溫度不高于250 ℃的航空部件[12]。ZM6鎂合金在鑄造過程中比較容易出現(xiàn)縮孔、縮松及夾沙等缺陷，需要進行補焊修復(fù)，因此對其進行焊接研究具有一定的理論和實際意義。本文作者采用常用的鎢極氬弧焊方法對ZM6鎂合金進行焊接，并對其進行焊后T6熱處理，研究了熱處理對其組織性能的影響。

1 實驗

試驗材料采用ZM6鑄造鎂合金，其化學(xué)成分見表1，采用線切割將其加工為200 mm×60 mm×3 mm的板材。焊接形式為對接方式，采用V型60°坡口。背面放置銅板作為襯墊，襯墊中心開有半圓形溝槽，寬度為5 mm，深度為1 mm。母材兩側(cè)采用夾具夾持以防止發(fā)生焊接變形，影響力學(xué)性能測定。焊接前用丙酮清除試板表面的油污，并用鋼絲刷去除氧化膜。使用直徑2 mm的ZM6焊絲，采用交流脈沖進行焊接，焊接氣體采用99.9%的純氬，氣體流量為10 mL/min，鎢極直徑為2.4 mm，噴嘴直徑為10 mm。其他焊接參數(shù)如表2所列。

對于ZM6耐熱鎂合金，焊接后可通過后續(xù)的熱處理來實現(xiàn)對其組織的控制，進而提高合金的焊縫及整體的力學(xué)性能。根據(jù)相關(guān)研究[13]，熱處理工藝選定如下：固溶處理溫度為540 ℃±1℃，保溫5 h，放入水中快速冷卻；時效處理溫度為200 ℃±1 ℃。時效時間分別為4、8、12、16和20 h。

采用日本理學(xué)D/Max2200型X射線衍射儀對母材及焊縫進行物相分析。試樣焊接及 T6熱處理后的硬度用HXD-1000型維氏硬度儀測量，顯微組織及斷口形貌觀察在FEI-SIRION熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(加速電壓20.0 kV)上進行。

表1 ZM6鎂合金的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of ZM6 magnesium alloy(mass fraction, %)

表2 焊接參數(shù)Table2 Welding parameter

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭組織及相組成

圖1 ZM6鎂合金TIG焊接組織及相組成Fig.1 Microstructures and phase compositions of TIG welded ZM6 magnesium alloy: (a) Base metal; (b) Fusion zone and heat-affected zone; (c) Weld seam; (d) XRD pattern

ZM6鎂合金的鑄態(tài)顯微組織如圖1(a)所示。組織呈現(xiàn)典型的等軸晶，平均的晶粒尺寸大約為91 μm。顯微組織中顏色較深的為基體α-Mg，白色的部分為合金凝固過程中形成的中間相，沿著晶界和晶界交匯處，分布著大量的板條狀和島狀的金屬間化合物。圖1(b)所示為ZM6鎂合金TIG焊接的典型組織，熱影響區(qū)與母材顯微組織區(qū)別不大，未出現(xiàn)明顯的長大現(xiàn)象，半熔化區(qū)寬度約為160 μm，可以觀察到焊縫組織與熱影響區(qū)組織相互過渡。焊縫組織呈現(xiàn)細小的等軸晶組織，其平均晶粒尺寸為26 μm，遠小于母材組織；第二相組織在晶界處以斷續(xù)的網(wǎng)格狀存在。XRD的分析表明，焊縫金屬與母材金屬中間相均為Mg12Nd。根據(jù)Mg-Nd相圖[14]，Nd含量在3%左右的平衡凝固組織為Mg41Nd5，而Mg12Nd為亞穩(wěn)相，說明母材及焊縫組織均發(fā)生了非平衡凝固。

2.2 熱處理后顯微組織及硬度分布

經(jīng)過540 ℃固溶處理后，ZM6鎂合金熔合區(qū)附近的顯微組織如圖2(a)所示，晶界處的第二相已經(jīng)完全消失，形成單相的過飽和α-Mg固溶體，晶界變得更為平直，焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)晶粒尺寸未發(fā)生明顯變化。在焊縫中部的顯微組織如圖2(b)所示，部分晶粒在固溶的過程中發(fā)生了再結(jié)晶，出現(xiàn)明顯長大，晶粒尺寸達到150 μm左右。發(fā)生再結(jié)晶一方面是因為固溶溫度較高，已經(jīng)接近液相線溫度tm(567.7℃)[15]，而一般金屬再結(jié)晶溫度最低約為 0.4tm，因此ZM6鎂合金已經(jīng)達到再結(jié)晶溫度；另一方面由于焊接過程中存在拘束，熔池凝固后焊縫中心具有較大的殘余應(yīng)力，為再結(jié)晶提供了驅(qū)動力。另外，在固溶過程中，隨著晶界處第二相的減少，晶界遷移阻力變小，這也有利于晶粒長大。

圖2 540 ℃固溶處理后ZM6鎂合金顯微組織Fig.2 Microstructures of ZM6 magnesium alloy after solution treated at 540 ℃: (a) Fusion zone and heat-affected zone; (b) Center of weld seam

不同時效時間后及未熱處理的焊接接頭顯微硬度分布如圖3所示。未熱處理的ZM6鎂合金母材顯微硬度約為 54HV，熔合區(qū)附近的顯微硬度迅速增加，焊縫邊緣處的顯微硬度達到最大值 65HV，焊縫的平均硬度約為 63HV。焊縫邊緣硬度較高的原因如下：在焊縫的熔化邊界，鎂合金熔池與溫度較低的母材接觸，冷卻速度快，晶粒較為細小。經(jīng)200 ℃時效4 h后，焊接接頭的顯微硬度較未熱處理的焊接接頭的顯微硬度有較大提高。隨著時效時間的延長，焊接接頭的顯微硬度不斷提高，直到時效16 h后達到峰值；此時，焊縫硬度約為85HV，母材硬度約為81HV。經(jīng)過20 h時效后，母材及焊縫顯微硬度均有所下降。對比不同的時效試樣，顯微硬度變化趨勢基本與未經(jīng)熱處理的焊接接頭一致，但由于在固溶過程中焊縫中心處的晶粒長大，焊縫中心處的顯微硬度有所下降。

圖3 不同時效時間下焊接接頭的顯微硬度分布Fig.3 Distribution of microhardness of weld joints after different aging times

圖4所示為時效16 h的焊縫的光學(xué)顯微組織，從焊縫接頭顯微組織可以看出，時效16 h后，晶粒尺寸基本未發(fā)生變化。在圖4(b)中可以明顯地看到兩種析出相，一種析出相呈斷續(xù)的點狀分布，晶粒內(nèi)部沿著統(tǒng)一方向析出，而不同的晶粒內(nèi)的析出相沿著不同的方向析出，表明析出相與基體存在一定位相關(guān)系；另一種析出相呈團聚狀，在晶粒內(nèi)部和晶界處均有分布。圖5所示為時效16 h的SEM像，可以看到團聚狀的組織中包括兩種析出相：一種為片狀，一種為桿狀。片狀相與α-Mg基體不具有明顯的位相關(guān)系，長度約為2 μm，寬度約為0.3 μm。析出的桿狀相之間大約呈60 ℃角，長度約為1 μm，寬度約為0.1 μm。在晶粒內(nèi)部可以觀察到鏈狀小坑，可能為斷續(xù)的點狀分布析出相在拋光過程中剝落后形成的。王曉芳等[16]在Mg-Nd合金時效強化相中發(fā)現(xiàn)顆粒狀的β′相以及呈一定角度分布的β相，本研究中析出相與其非常相似，小坑中剝落的可能為β′相。

圖4 200 ℃時效16 h后ZM6鎂合金焊接接頭的光學(xué)顯微組織Fig.4 Optical microstructures of ZM6 magnesium alloy weld joint after aging at 200 ℃ for 16 h: (a) Fusion zone and heat-affected zone; (b) Magnified heat-affected zone

2.3 力學(xué)性能及斷口分析

分別對ZM6焊后及焊后固溶+200 ℃時效16 h試樣進行拉伸試驗，所有拉伸試樣均未出現(xiàn)明顯塑性變形。焊后試樣的抗拉強度為160 MPa，T6熱處理后試樣的抗拉強度為260 MPa，說明經(jīng)過T6熱處理后抗拉強度明顯提高。

斷口形貌如圖6所示，斷口呈現(xiàn)典型的穿晶斷裂，斷口表面上下兩側(cè)出現(xiàn)明顯不同的形貌：上側(cè)出現(xiàn)明顯解理河流和解理臺階，解理裂紋在遇到晶界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而下側(cè)出現(xiàn)較小的解理面和較淺等軸韌窩，韌窩的形成是因為團聚狀分布的析出相對位錯滑移和攀移起到釘扎作用。團聚狀分布的析出相在熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)均有存在，但在熱影響區(qū)斷口卻未發(fā)現(xiàn)韌窩，可以認為熱影響區(qū)部分的斷裂機制有所不同。對于單個晶粒，裂紋沿著單個解理面的擴展，可以將其視為帶有裂紋的彈性體，在線彈性條件下裂紋尖端延長線上應(yīng)力σy為

圖5 200 ℃時效16 h后ZM6鎂合金焊縫接頭的SEM像Fig.5 SEM images of ZM6 magnesium alloy weld joint after aging for 16 h at 200 ℃: (a) Rod-like and plate-like participate phase; (b) Chain-like pits

式中：K1為應(yīng)力強度因子，r為離裂紋尖端的距離，a為裂紋長度的1/2，σ為裂紋垂直方向上的應(yīng)力，Y為裂紋形狀因子。

由式(1)可以看出，裂紋尖端延長線上的應(yīng)力與裂紋長度成正比，對于晶粒尺寸較小的焊縫區(qū)，解理裂紋遇到被析出相釘扎的基體時，由于裂紋長度較短，裂紋尖端附近應(yīng)力較小，無法繼續(xù)擴展；而對于晶粒尺寸較大的熱影響區(qū)，解理裂紋則會直接穿過。根據(jù)斷口形貌判斷，可能是在熔合區(qū)首先出現(xiàn)裂紋萌生，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋向熱影響區(qū)及焊縫區(qū)擴展。

圖6 ZM6鎂合金焊后200℃時效16h拉伸斷口的形貌Fig.6 Fractographs of welded ZM6 magnesium alloy tensile specimens after aging at 200 ℃ for 16 h: (a) Overall morphology; (b) Weld seam zone; (c) Heat-affected zone

3 結(jié)論

1) ZM6鎂合金焊后焊縫為細小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸遠小于母材組織，第二相Mg12Nd在母材及焊縫處晶界處以斷續(xù)的網(wǎng)格狀存在。經(jīng)過540 ℃固溶4h后，第二相溶入α-Mg基體，焊縫中心處部分晶粒異常長大。

2) 經(jīng)過T6熱處理后，ZM6焊接接頭的顯微硬度明顯提高，200 ℃時效16 h后，焊縫及母材的顯微硬度均達到最大值，分別為85HV和81HV。對200 ℃時效16 h試樣的觀察發(fā)現(xiàn)，時效組織中出現(xiàn)了桿狀相和片狀相，對合金產(chǎn)生時效強化作用。

3) ZM6鎂合金焊后經(jīng)T6熱處理后的抗拉強度為260 MPa，較未熱處理試樣的抗拉強度180MPa有明顯提高。拉伸試驗斷裂位置為熔合區(qū)附近，熱影響區(qū)和焊縫處所呈現(xiàn)的斷裂形貌不同，焊縫處為解理-韌窩混合斷裂，熱影響區(qū)為典型的解理斷裂。

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