微量Sc、Zr和Er对5182铝合金焊缝组织与性能的影响

徐 振，赵志浩，王高松，陈庆强，韩东月

(东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，沈阳 110819)

5xxx系铝合金具有优异的塑性、耐蚀性和焊接性能，广泛用于航空、航天及交通运输等领域［1，2］.目前，5xxx 系铝合金焊接时普遍采用惰性气体保护焊，但由于焊接时热输入较高，焊后焊接接头软化严重，很大程度上限制了其在工业方面的应用.铝合金焊丝是5xxx系铝合金惰性气体保护焊焊接过程中所必需的填充材料.有研究表明［3］，在基材一定的条件下，合理地改变焊丝成分可以有效改善焊接接头的组织与性能.

近年来，普遍采用微合金化的方法来提高铝合金材料的综合性能.在铝合金中加入微量稀土元素，可显著细化合金组织晶粒，净化合金成分，去除合金中的气体和有害夹杂，最终大幅提高合金的力学性能［4］.大量研究［5～8］表明，Sc 作为一种稀土元素添加到铝合金中可以起到净化合金、改善组织、抑制再结晶等作用.铝合金中添加Sc，可以明显提高合金的强度.此外，适量的Sc还可以降低合金焊接裂纹产生倾向，细化组织晶粒.但是由于Sc是一种战略资源，其价格十分昂贵，且只有在合金中添加足够量的Sc元素时才能全面改善合金的组织和性能，这极大的限制了Sc在工业上的应用.近年来的研究发现［9～15］，Er和 Zr在铝合金中具有和Sc相类似的作用，且成本低廉.

基于此，作者采用了传统的ER5356焊丝及添加Sc、Zr和Er的微合金化铝合金焊丝对5182铝合金板材进行手工钨极惰性气体保护焊，研究了焊缝处的显微组织，探究了Sc、Zr和Er元素对焊缝组织的影响机理.

1 试验方法

采用直径为3.0 mm的传统ER5356焊丝及添加Sc、Zr和Er的微合金化焊丝进行焊接，母材为热轧条件下的4.0 mm厚的5182铝合金，母材及焊丝的主要化学成分见表1.实验所用铝合金焊丝均在东北大学材料电磁过程教育部重点实验室内制备而成，其中Er和Sc以Al-13.2Er和Al-2Sc的中间合金形式加入，Zr采用Zr盐形式加入.焊接前，使用有机溶剂清理母材及焊丝表面，再用手工钨极惰性气体保护焊的方式进行焊接，试样尺寸为150 mm×100 mm×4 mm，焊接方向垂直于轧制方向，焊接工艺参数如表2所示.焊接后，沿垂直于焊接方向截取试样.金相试样经机械抛光和Kerell试剂腐蚀后在Leica DMI5000M光学金相显微镜下进行显微组织观察.使用TecnaiG220型透视电镜下观察组织中的析出相，在焊缝区截取0.15 mm厚的薄片试样，机械减薄至0.08 mm，之后冲压成直径为3 mm的圆片.再使用30%HNO3+70%CH3OH(体积分数)溶液进行双喷减薄，双喷温度为-25℃，电压为15 V.

表1 母材及焊丝的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical constituents of welding wires and base metal(mass fraction)%

表2 焊接工艺参数Table 2 Parameters of welding

2 实验结果

2.1 焊缝处的显微组织

铝合金焊接接头主要由四个区域组成，分别为焊缝区、融合区、热影响区以及母材.其中，焊缝区是焊接接头的中心区域，其晶粒组织主要为铝合金凝固态组织，强度最低，是整个焊接接头最薄弱之处.可以说，焊缝处的组织的优良直接决定着整个焊接接头力学性能的优劣.图1(a)为使用传统ER5356铝合金焊丝焊后焊缝处的显微组织.从图中可以看出，焊缝中心主要由等轴晶组织构成，但晶粒尺寸较大，且晶粒尺寸不均.而图1(b)、1(c)和1(d)所示为使用微合金化焊丝焊后的焊缝区(WZ)的显微组织.从图中可以明显看出，添加微量Sc、Zr和Er后，焊缝处晶粒明显细化且尺寸较为均匀.图2所示为焊接接头热影响区(HAZ)的显微组织.热影响区也是焊接接头较为薄弱的环节，由于焊接热的作用，热影响区的残余应力较大，晶粒组织粗化，常形成柱状晶组织，严重影响焊接质量.从图中可以看出，添加稀土元素后，焊接接头的热影响区组织也发生了明显变化，柱状晶组织的生长得到了明显抑制.此外，焊丝微合金化后，焊缝中析出相的数量增加明显，析出相主要沿晶界析出.对比四种焊缝组织的晶粒尺寸可以发现，单独添加质量分数为0.3%的Sc，焊后焊缝处晶粒最为细小.

2.2 析出相分析

使用X射线衍射对含Sc焊缝组织进行分析，如图3所示.从图中可以看出，合金中添加的Sc形成了Al3Sc相.在透射电镜下观察含Sc的焊缝组织可以发现，许多纳米级的颗粒均匀弥散的分布在晶内和晶界附近，如图4所示.这些颗粒的尺寸约为20～30 nm，分析其衍射光斑后认为这些颗粒主要是Al3Sc相，这与XRD的检测结果相同.

图1 焊接接头焊缝区的显微组织Fig.1 Microstructures of welding joints in WZ

图2 焊接接头热影响区的显微组织Fig.2 Microstructures of welding joints in HAZ

2.3 力学性能

图5所示为沿轧制方向焊接接头显微硬度的分布的情况.从图5可以看出，两种焊接接头硬度分布情况大致相同，均以焊缝中心为轴线，焊缝两侧的硬度的呈近似对称分布.整个焊接接头区域中，焊缝与热影响区的硬度值最小.对比两条曲线可以发现，微合金化后的焊接接头的硬度要明显高于传统焊丝焊后的焊接接头硬度.

3 分析与讨论

焊接过程中，由于焊接热对焊接接头各区域影响程度不同，使得焊接接头各区域的显微组织与力学性能存在较大差异.但焊缝处为快速凝固后的铸态组织，因而其强度最差，是焊接接头最为薄弱的环节.观察焊缝处的显微组织可以明显发现，使用微合金化ER5356铝合金焊丝施焊后，焊缝处的晶粒组织细化现象十分显著，晶界处的析出相数量明显增多.焊缝处的组织主要是焊丝熔化后，最后形成的凝固态组织，其主要成分是焊丝本身的化学成分.在焊接过程中，微合金化焊丝熔化后，焊丝中含有的稀土元素会随熔化的焊丝填充到焊缝组织中.以单独添加0.3%Sc的焊丝为例，由于焊接过程较快，焊缝区组织凝固速度很快，整个焊缝的凝固表现为非平衡凝固状态.焊缝区开始凝固时，Sc会富集到固液界面的前沿.当其含量达到其特定的成分点时，就会有Al3Sc相形成.这些纳米级的Al3Sc相为L12型，与Al基体的错配度很低，基本共格.在凝固过程中，先形成这些纳米级的质点.由于这些质点满足作为异质形核核心的要求，显著提高了形核率，从而细化了合金的晶粒.而Er和Zr与Sc的作用类似，可形成L12型的Al3Zr和 Al3Er相.但是 Al3Zr和 Al3Er与基体的错配度要略高于Al3Sc，因而其细化效果要稍弱于Sc.同时，由于冷却速度较快，最后焊缝处会有大量含Sc的过饱和固溶体存在.这些过饱和固溶体可以在自然时效的条件下析出二次的Al3Sc颗粒.

图3 焊缝区X射线衍射Fig.3 XRD graph of welding joint

图4 透射电镜下含Sc的焊缝组织Fig.4 TEM photos of the welding zone with Sc

图5 焊接接头的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of welding joints

4 结论

(1)与传统ER5356铝合金焊丝相比，使用微合金化的焊丝焊后焊缝处的晶粒组织更加均匀细小.

(2)焊丝微合金化后，焊缝处晶界上的析出相数量明显增加.

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