Zn-15Al-xLa中间层对镁/钢接触反应钎焊接头性能影响

贾梦超，赵丽敏，邓杰

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)①

当今社会，环境污染、能源紧缺等问题日益加剧，而结构材料的轻量化则能够减少能源消耗，降低污染排放，因此轻量化结构材料在轨道交通、航空航天等领域拥有广阔的发展前景[1-3].镁/钢异种金属的连接结构可以将两种单一金属的优良性能综合起来，但是镁与钢的物化性质差异很大，二者既不固溶，也不能发生冶金反应，因此直接进行焊接十分困难[4-5].目前，与镁/钢焊接相关的焊接方法主要有搅拌摩擦焊、点焊[6]、扩散焊[7]、激光复合焊[8]、钎焊[9]等.其中接触反应钎焊是一种特殊的焊接技术，它是依靠接触的母材之间或母材与中间层之间的冶金反应产生液相来实现连接的焊接工艺[10].本文选用Zn-15Al-xLa钎料作为中间层进行镁/钢异种金属的接触反应钎焊，并分析加入稀土La含量的多少对接头微观组织和力学性能的影响.

1 实验方法

本实验选用DC01钢与AZ31B镁合金作为母材，进行两种金属的接触反应钎焊.DC01钢的化学成分(wt%)如下：C为0.10 %，Mn为0.50%，S小于等于0.035%，P小于等于0.035%，余量为Fe；AZ31B镁合金化学成分(wt%)如下：Al为2.5%～3.5%,Zn为0.5%～1.5%，Mn为0.2%～0.5%，Si为0.1，Ca为0.04，Cu为0.05，Fe为0.005，Ni为0.005，余量Mg.

其中DC01钢板的厚度是2.0 mm，AZ31B镁合金板的厚度是3.0 mm.焊接之前将两种板材分别加工成8 mm×70 mm×2.0 mm以及 8 mm×70 mm×3.0 mm两种尺寸以备使用.

实验采用热浸镀工艺将Zn-15Al-xLa(x=0,0.05,0.1,0.2wt%)中间层镀在DC01钢试件表面，浸镀时间60 s，浸镀温度约为500℃.然后用SiC砂纸将AZ31镁合金试件与Zn-15Al-xLa中间层试件的表面打磨至1 500#，然后用酒精清洗备用.镁合金和钢试件采用搭接的焊接方式，如图1所示.

图1 AZ31B/中间层/DC01试件装配图

为了使试件待焊面紧密接触，使用夹具将带有中间层的DC01钢试件与AZ31B镁合金试件夹紧，并在搭接界面处固定热电偶，用以准确测量焊接温度.将装配好的试件放入预先设定好温度的电阻炉中进行加热，过程中向炉中通入高纯度的氩气进行保护.最佳焊接工艺参数为：连接温度(395±2)℃，平均加热速度100℃/min.等到接头的搭接界面周围出现均匀的小液滴以后，取出接头并放入水中冷却.

选用240～1 500#的SiC砂纸将镀有中间层的DC01钢试件与接头试件打磨平整；然后选用金刚石抛光剂对试件进行抛光；之后选用成分5%的苦味酸试剂(苦味酸5 g，醋酸5 mL，水10 mL，乙醇100 mL)对试件进行腐蚀，30s后清水冲洗并用吹风机吹干.使用徕卡倒置显微镜观察中间层和接头的微观组织，用SUPRA55场发射扫描电子显微镜自带的能谱分析仪对中间层和接头的成分进行分析；用Empyrean X-射线衍射仪对接头两侧断口进行相成分分析.

2 实验结果与分析

2.1 Zn-15Al-xLa中间层微观组织形貌分析

图2为DC01钢试件表面热浸镀Zn-15Al-xLa中间层的微观组织形貌.从图2中可以看出，中间层由过渡层和外部层两部分构成.经EDS点成分分析，过渡层中含有Zn、Al、Fe三种元素，其中Zn元素含量很少，Al元素和Fe元素含量较多，Al元素和Fe元素的原子比接近5∶2，因此判断过渡层的成分为Fe2Al5化合物，与过渡层Fe2Al5相邻的外部层是由Zn-15Al镀液凝固而形成的.根据Al-Zn二元合金相图可知，在镀液缓慢冷却的过程中，会先析出铝基固溶体(图中箭头1所示)；剩余的液相在共晶温度时会发生共晶反应，形成铝基固溶体(图中箭头2所示)和锌基固溶体(图中箭头3所示)组成的共晶组织.当向Zn-15Al中间层中加入 0.05%La时，粗大的树枝状铝基先析出相的尺寸减小，球状先析出相增多， 从而细化了中间层的显微组织.当向Zn-15Al中间层中加入 0.1%La时，中间层中有新相产生(图中箭头4所示)，经EDS成分分析可知，该新相含有59.53at%的Zn，32.79at%的Al，7.68at%的La， 因此可判断该新 相 为 Zn-Al-La 三元化合物.当向Zn-15Al中间层中加入 La的含量逐步增加至0.2%时，中间层中粗大的树枝晶又成片出现，此时La对中间层显微组织的细化作减弱，且Zn-Al-La三元化合物的数量增多.

图2 Zn-15Al-xLa中间层微观组织

2.2 接头微观组织形貌分析

图3为AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头的微观组织形貌.表3为图3各个位置的EDS成分分析结果.焊接接头从钢侧到镁侧的区域依次为：钢基体、中间层与钢的反应区、残余中间层、中间层与镁的反应区、镁基体.接头大部分组织为残余中间层.经EDS点成分分析可知，残余中间层主要由铝基先析出相和锌铝共晶组织组成.中间层与钢的反应区为Fe2Al5化合物.中间层与镁的反应区主要由Mg-Zn共晶组织和Mg-Zn-Al三元化合物组成，这是由于铝基固溶体中的Al元素在焊接过程中不断向镁侧扩散，因此Al元素与Mg元素和Zn元素结合形成Mg-Zn-Al三元化合物.当加入0.05 %的La时，残余中间层中的树枝状铝基先析出相尺寸减小，球状先析出相增多，残余中间层的显微组织得到了细化.当加入0.1%的La时，接头中发现有新相Zn-Al-La三元化合物产生，当加入La的含量达到0.2%时，树枝状的铝基先析出相数目增多，尺寸变大，La对中间层残余组织的细化作用减弱，同时接头中Zn-Al-La三元化合物的尺寸增大，数量增加.

图3 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头的微观组织形貌

表3 图3中各位置EDS分析结果 at%

2.3 接头力学性能及断口分析

对AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头进行剪切强度测定，接头的剪切强度如图4所示.从图4中可以看出，接头的剪切强度随着中间层中稀土La含量的增加呈现先增大后减小的趋势.其中，当加入0.05 %La时，接头达到最大剪切强度，为70 MPa.

图4 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头剪切强度

图5为AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头断口的XRD衍射图谱.经XRD相成分分析可知，接头断口两侧均能检测到Al0.403Zn0.597、MgZn2，说明AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头断裂发生Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相区.由上述断口分析可知，中间层中加入适量的La能够细化中间层的显微组织，进而增加接头强度；但是当La加入过量时，接头中会出现大量Zn-Al-La三元化合物，从而对接头微观组织产生割裂作用，反而降低了接头强度.

(a)x=0接头钢侧

3 结论

(1)AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接头由镁基体、中间层与镁的反应区、残余中间层、中间层与钢的反应区、钢基体组成.对接头进行剪切强度测定后，发现接头的断裂位置主要发生在Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相区.当La的含量为0.05%时，接头达到最大剪切强度为70 MPa；

(2)当中间层中加入适量的稀土La时，由于La在Zn和Al中的固溶度很小，因此在凝固过程中，稀土La将会沿固液界面富集，从而抑制铝基先析出相的增大，使粗大的树枝状铝基先析出相减少，球状的铝基先析出相增多.但是当La加入含量过高时，固液界面前沿的La会与Zn和Al形成Zn-Al-La三元化合物而析出，从而使其对微观组织的细化作用减弱.