热处理对搅拌摩擦焊T型2014-T651航空铝合金力学性能的影响

肖含月

（重庆电子工程职业学院智能制造与汽车学院，重庆 400044）

铝合金作为典型的轻金属合金被广泛应用于航空航天领域。从最新的研究中表明，在先进航空铝合金中，2000系和7000系铝合金和新一代 Al-Li合金有了很大的发展[1，2]。T型结构件由于其独特的几何特征在运输业中有着不可替代的作用。例如，在航空器的制造中，铝合金经常被焊接成T型来制造面板、横梁等部件[3]。FSW是一种先进的轻合金连接技术，能够解决很多传统焊接工艺（如激光焊接）中的一系列缺陷，例如气孔，热裂等，因此，FSW有望成为航空航天领域中大部分金属结构的连接工艺[4]。

近年来，对T型2000系铝合金材料力学性能的优化仍然是一个挑战。研究表明，焊后热处理对铝合金的力学性能有较大影响。在热处理中，如析出强化、粗化、取向生长、回复和再结晶等都会影响材料的微观组织，进而决定材料的力学性能。硬度试验、拉伸或者弯曲试验是评价铝合金搅拌摩擦焊力学性能的常用方法[5]。然而，热处理对FSW T型2000系铝合金力学性能的影响仍缺乏研究[6]。

在这篇文章中，2014-T651铝合金板通过搅拌摩擦焊被成功焊接成T型，采用适当的热处理进行对比。通过弯曲测试和硬度测试研究了不同热处理温度对材料力学性能的影响。

1 实验部分

本实验选用2014-T651 铝合金，通过搅拌摩擦焊将材料焊接成为T型结构（如图1）。将焊后试样切成10份（4mm x 6mm x 40mm），编号1到10备用。本实验的热处理方案是将试样分别加热至400 ℃ 和 535 ℃，保温7小时，缓慢炉冷至室温。

图1 FSW过程的工艺技术图

采用MATSUZAWA型维氏硬度计对不同状态的试样（未处理、400℃热处理、535℃热处理）进行显微硬度测试，硬度测试方向平行于焊接线方向，并且跨过T型连接件的不同区域（BM、SZ、HAZ 和 TMAZ）。硬度测试间隔为1mm，测试负载为0.5HV, 压头每次压力为0.5kg，每点保持5秒。弯曲测试采用Instron 5569 型试验机（如图2）。

图2 弯曲测试：弯曲测试的相关尺寸和受力示意图

2 结果和讨论

2.1 硬度试验

由图3可知，不同热处理温度下，搅拌摩擦焊 T形铝合金2014-T651在远离焊缝方向的硬度变化基本相同，各状态的硬度曲线均呈“V”形。这些V形硬度曲线表明过渡区（TMAZ/HAZ）为软化区。对于原始样品（蓝色曲线），BM区域的硬度最高（150 HV）。SZ区域（焊缝附近）的硬度约为BM区域的85%（接近130 HV）。软化区在TMAZ区域附近（距离焊缝6mm），约为BM区域的73%（112HV）。软化区的出现可能是由于在搅拌摩擦焊接过程中，摩擦热引起SZ区域和TMAZ/HAZ区域发生退火，导致出现第二相强化，而远离焊接区的BM区域很少受到影响。第二个原因是TMAZ区域的晶粒尺寸大于SZ区域。由于上述两个原因，过渡区（TMAZ/HAZ）成为原始试样的软化区。

图3 2014-T651 铝合金远离焊缝方向的维氏硬度变化(不同状态下)

除此之外，与未加热试样相比，加热试样各区域的硬度均显著降低，且加热温度越高，硬度越低。第一个原因是由于高温导致晶粒粗化。同一材料的晶粒尺寸越大，硬度越低。其次是具有固溶强化作用的第二相随温度升高而变粗或不断溶解，导致硬度降低。

2.2 弯曲试验

图4（a）、（b）和（c）分别显示了不同热处理参数下搅拌摩擦焊 T型接头沿纵梁的断裂特征。图5是这些样品对应的弯曲试验曲线图。试样（a）的断裂面为特征弯曲断裂面，原始试样的弯曲曲线（蓝色曲线）为经典弯曲曲线，在弯曲试验中，弹性变形和塑性变形依次发生，最终屈服断裂。断裂试样（b）为韧性断裂，其断裂时间约为试样（a）的两倍。试样在400℃加热下的塑性变形（红色曲线）超过5mm且无断裂发生，表明400℃的热处理温度引起了晶粒的部分再结晶，使晶粒尺寸变大而不至粗大，具有良好的塑性。试样（C）在加热温度为535℃时发生脆性破坏，在加载后的短时间（5s）内断裂，修正位移仅为1.26mm（黑色曲线）。试验结果表明，当热处理温度过高（535℃时），导致晶粒粗大且第二相沿晶界析出，降低了材料的韧性，导致脆性断裂。

图4 不同热处理温度下试样的弯曲测试断裂特征照片

图5 不同热处理温度下试样的弯曲曲线

综上所述，力学性能测试结果表明，焊缝附近是搅拌摩擦焊T型铝合金2014-T651的断裂部位，焊后热处理温度对材料的弯曲性能有明显影响。适当的加热温度可以提高材料的韧性和延展性，但过热条件（535℃）会使材料更脆，加速材料的断裂。

3 结论

焊后热处理对试样各区域的力学性能都有明显的影响。其中，热处理对SZ区的影响最大，SZ区晶粒的再结晶是主要原因。硬度测试表明，试样的硬度随着加热温度的升高而降低。热处理后，BM区域的硬度分别下降到原始试样的78%（400℃）和67.8%（535℃）。在弯曲试验中，焊缝附近是弯曲断裂的位置。400℃的热处理温度提高了铝合金的塑性，而535℃的过热温度会导致过多的粗晶和析出物，从而导致脆性断裂。