冷金属过渡条件下镁/钛界面结构与润湿行为的研究

居春艳，隋 然

（1.兰州理工大学 技术工程学院 材料与化工工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院 材料工程学院，甘肃 兰州 730050）

镁与钛的连接是实现构件轻量化的重要手段之一[1]。一方面，钛及钛合金拥有比强度高、比刚度高、抗氧化、耐腐蚀性能优越等优点；另一方面，镁及镁合金拥有高比强度、可铸性好，可循环利用等优点，且密度仅为钛密度的38%，是目前可应用的最轻结构金属材料。结合两种材料自身优势，实现镁与钛的连接是拓展其在汽车工业和航空航天领域应用的重要方式[2，3]。

然而，镁和钛迥异的物理、化学性能，无冶金反应，以及不互溶的特性，使得这两种金属的连接极为困难，这也给镁合金与钛合金的应用带来很大的挑战。目前，可应用的镁/钛连接方法有激光焊[4]、摩擦焊[5]、冷金属过渡焊[6，7]和扩散焊等[8]。

在众多连接方法中，冷金属过渡焊接以其效率高，适用性强，热输入可控等优点，成为实现镁/钛高质量有效连接的重要手段。

目前，多数研究集中在镁/钛冷金属过渡焊接实施的工艺参数，焊接接头评定等方面，而镁/钛有效连接的关键问题之一，即镁合金熔滴在钛合金表面的润湿，却往往被忽略。周彦林等人[9]研究了铝/钢在冷金属过渡条件下的润湿行为与界面结构特征，发现润湿性与界面上的热输入密切相关；曾承宗等人[10]采用数值计算方法模拟了不同导热性质的母材与铝合金熔滴的润湿，发现母材的热导率不同导致了不同的界面热输入，进而影响到界面反应强度和润湿性；车洪艳等人[11]通过对镁/钢连接接头的有限元模拟，发现接头的强度直接取决于钎接面积，即焊缝成形过程中的润湿性；檀财旺等人[12]应用激光焊实施了镁/钛的熔钎焊，并引入铝夹层作为改善润湿性和提高接头强度的重要手段。

因此，本文采用AZ61镁合金(含铝约6.5wt.%)在纯钛表面冷金属过渡条件下的润湿为研究对象，旨在建立焊接工艺参数、润湿性及界面结构之间的联系，为镁/钛的高质量有效连接提供基础数据和理论参考。

1 试验材料及方法

试验采用尺寸为200mm3×50mm3×1mm3的TA2工业纯钛板和直径为1.2mm的AZ61镁合金焊丝，具体化学成分如表1、表2所示。

表1 AZ61镁合金焊丝的化学成分(wt.%)

表2 工业纯钛TA2的化学成分(wt.%)

试验采用自主设计的弧焊条件下润湿检测平台，焊机为CMT 3200型，以650nm波长、450mW功率的大光斑激光作为背光源，配以波长对应的滤镜，由CCD高速摄像(1000fps@640×480dpi)记录整个熔滴过渡与润湿铺展过程。润湿试验中，接触角和接触半径是重要的特征参数，应用分析软件，记录过程中上述两个参数的变化。试验前，钛板表面用钢刷清理，并用丙酮清洗干净，吹干后固定在钢垫板上。试验中，焊炬与母材始终呈90°角，端部与母材表面的距离为5mm，全程采用高纯氩气作为保护气体，流量为15L/min。CMT焊机程序选择一元程序，送丝速度为2.5m/min～7.5 m/min，试验时间均为1 s。试验装置示意图如下图1所示。

图1 焊接装置示意图

润湿试验结束后，沿横截面取样，利用扫描电镜和能谱仪，结合相图，对界面结构、物相组成进行分析，并对铺展过程的控制因素进行讨论。

2 试验结果与讨论

2.1 润湿行为

CMT条件下，送丝速度在2.5m/min～7.5m/min范围内接触角-时间和接触半径-时间的变化如图2所示。随着送丝速度的增加，单位时间内沉积的熔滴尺寸越来越大，故铺展半径也随之增加，如图2(a)所示，其变化趋势可由描述；另一方面，尽管受焊丝的回抽力，弧长变化等因素影响，接触角数据较为分散，但总体趋势上可以看出在同一时刻接触角随着送丝速度的增加而减小，说明热输入的增加使润湿性逐渐变好；在同一送丝速度下，接触角随着熔滴沉积过程和界面上热的累积也逐渐减小。从上述数据中可以得出，润湿性与界面温度表现出了强烈的依赖性；虽然镁在钛表面有较好的润湿性，但为了满足CMT熔钎焊工艺对润湿性的要求(接触角小于90o)，则要求送丝速度应大于2.5 m/min。

2.2 界面结构

由于镁在钛表面的润湿性较好，送丝速度大于2.5m/min后，均能获得相似的润湿界面结构。增大送丝速度，镁-钛界面上的热输入相应增大，界面反应加剧，最终润湿性更好，因此选择6.5m/min的送丝速度，获得相应的润湿界面结构，作为研究对象。图3为送丝速度为6.5m/min的界面结构。图a为三相线结构，在三相线熔滴内部，基于多点成分分析，发现区域内有铝元素存在。由参考文献[13]可知，钛在镁中的固溶度很小，镁在钛中不固溶，二者亦不能形成金属间化合物，因此，镁/钛界面的连接必须借助其它元素实现，该元素即为铝元素。

图2 不同送丝速度下润湿性参数随时间变化过程

图3 送丝速度为6.5 m/min的界面结构

图4 镁/钛平衡接触角与毛系数的关系

从铝-镁相图可知，二者可以形成固溶体，也可以形成金属间化合物，通过成分分析表明该物质为Mg17Al12。三相线熔滴内部，Mg17Al12部分为骨架状，如图(b)所示，部分为点状。在钎接面上，铝元素和钛元素同样存在相互作用，以Al-Ti金属间化合物存在，如图(c)中红色轮廓线所示。送丝速度越大，热输入越大，界面反应越强烈，钛板界面上树状凸起越多。Al-Ti金属间化合物附着在树状凸起上，不断沉积变厚，破坏了钛板表面形成的氧化膜，促进了镁熔滴在钛板表面的润湿。

三元系合金体系的热力学性质可以通过解析法和数值计算法确定[14]。解析法通过选择适当的模型，对所有有效二元系信息进行拟合，选择模型参数，最终确定三元系合金体系的热力学性质。数值计算法是把三元系合金性质作为一些二元系性质的加权平均值，从而确定三元系合金热热力学性质。对于Al-Mg/Ti三元金属体系，利用吸附能模型采用解析法来确定。Al元素在Mg/Ti界面上的吸附能可计算得出。将Ti-Mg、Al-Mg和Ti-Al二元系对应的数值带入公[15]，计算得出E/m1=-211.859kJ/mol，该值为负，表明Al元素在Mg/Ti界面上的富集是自发的，满足热力学第一定律。

通常情况下，毛细数(Ca)-接触角(q)的相互依赖关系可以用来表述铺展的受控因素，进而揭示润湿铺展的机制。

3 结论

本文研究了冷金属过渡条件下AZ61镁合金在纯钛表面的润湿行为，并对界面结构进行了表征，得到如下结论：

（2）界面处Al-Ti金属间化合物层的形成满足界面组元偏聚的吸附热力学模型。

（3）由于钛本身在高温下可溶解部分氧化膜，使得镁/钛本身有较好的润湿性。体系中表现出的润湿性对温度的依赖，则来源于界面反应随着热输入增加变得更为剧烈，析出的Al-Ti金属间化合物进一步去除了钛表面原始的氧化膜，从而促进了镁合金熔体在钛表面的润湿。

（4）据接触角与毛细数的线性关系，表明冷金属过渡条件下AZ61镁在纯钛表面的铺展主要受限于熔体的表面张力。