【摘 要】
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随着绿色制造业和结构轻量化的快速发展,铝合金与镁合金的搅拌摩擦焊在交通运输、航空航天、船舶制造等领域应用广泛并且发展迅速。但是由于铝合金与镁合金的搅拌摩擦焊容易在接头中生成脆硬的IMCs进一步演化为化合物层,导致接头的性能大大降低。因此如何抑制和减少铝/镁异种合金搅拌摩擦焊过程中的IMCs成为了当前研究的重难点。从抑制和减少脆硬金属间化合物以及提高接头性能入手,本文以2024-T3铝合金/AZ31
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随着绿色制造业和结构轻量化的快速发展,铝合金与镁合金的搅拌摩擦焊在交通运输、航空航天、船舶制造等领域应用广泛并且发展迅速。但是由于铝合金与镁合金的搅拌摩擦焊容易在接头中生成脆硬的IMCs进一步演化为化合物层,导致接头的性能大大降低。因此如何抑制和减少铝/镁异种合金搅拌摩擦焊过程中的IMCs成为了当前研究的重难点。从抑制和减少脆硬金属间化合物以及提高接头性能入手,本文以2024-T3铝合金/AZ31B镁合金为研究对象开展了改善工艺参数和填充第三方金属夹层的搅拌摩擦焊实验,系统研究了工艺参数、填充金属类型和厚度以及双金属夹层对接头性能的影响,进一步探讨填充金属夹层对铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头界面中IMCs的影响机理。首先设计专用夹具,对2024-T3铝合金和AZ31B镁合金进行了搅拌摩擦焊接合理工艺参数区间的研究。通过表面形貌、缺陷问题和拉伸强度结果对比,发现轴肩直径10mm搅拌头所得接头质量并不理想,而轴肩直径15mm搅拌头在旋转速度300r/min、连接速度30mm/min下所得接头强度最高。基于工艺参数实验的结果,使用轴肩直径15mm搅拌头在旋转速度300/min、连接速度30mm/min条件下,进行了2024-T3铝合金/AZ31B镁合金不同厚度金属夹层搅拌摩擦焊填充实验,发现随着金属层厚度的提升,接头质量越来越差,金属夹层厚度为0.1mm时,得到的接头形貌和性能最好,当夹层厚度提升为0.5mm时,接头出现裂纹甚至无法成形。随后以厚度0.1mm金属夹层为主对填充不同金属类型的搅拌摩擦焊接头进行了研究,发现添加0.1mm的Cu层,接头拉伸性能最低,通过EDS与XRD分析发现,接头中少量Cu与铝合金反应生成Al Cu4,大部分仍旧以单质形式连续分布在母材对接处,虽然抑制了母材的接触反应,但是也导致母材连接更脆弱;0.1mm厚度Ni层强度略低于母材,EDS分析发现,Ni层以大小不一的块状和颗粒状断续分布在接头中,因熔点较高,与母材没有反应,同时抑制母材之间的反应作用甚微,导致母材连接更加脆弱;只有0.1mm的Zn层强度高于母材,Zn层在接头中以层状交替分布,在镁侧与镁合金生成Mg Zn2,抑制了Al-Mg系金属间化合物的生成。在相同的工艺参数条件下研究了双金属夹层对铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头性能的影响,当同时填充厚度均为0.1mm的Zn和Cu层时,将Cu放在镁合金侧,Zn置于铝合金侧,接头的拉伸性能得到了极大提高。接头对接处Cu层与Zn层带状连续分布,分析发现,Zn层与Cu层反应生成Cu Zn2且与母材生成Mg-Zn2等Mg Zn系化合物,Al-Mg系脆硬金属间化合物大大减少。
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