Al-Mg異種金屬攪拌摩擦焊金屬間化合物的形成機理研究.pdf

1、Al/Mg異種金屬結(jié)構(gòu)在鋁鎂疊層裝甲，航空航天的飛機機翼、艙體、各種機匣及火箭殼體、航天發(fā)動機以及零部件以及汽車行業(yè)的連桿等方面有著非常廣泛的應用。然而，接頭中存在的金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)是影響焊接接頭成形質(zhì)量及性能的關(guān)鍵因素。因此，研究IMC的形成機理，并提出可能的控制措施，對改善Al/Mg異種金屬攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)接頭性能具有重要的意義。基于

2、此，本文分別從熱力學、擴散動力學、物理模擬及數(shù)值模擬等角度對Al/Mg異種金屬FSW接頭中IMC進行分析，為異種金屬FSW工藝優(yōu)化及接頭IMC調(diào)控提供理論依據(jù)。
　　首先，對6061鋁合金和AZ31鎂合金進行攪拌摩擦焊，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm、焊速為120mm/min時獲得無缺陷接頭。對接頭組織性能進行分析，發(fā)現(xiàn)接頭中形成的Al3Mg2和Al12Mg17金屬間化合物是造成接頭產(chǎn)生缺陷、性能差及焊接難度大的主要原因?；诖?，從熱

3、力學角度對鋁-鎂二元合金、鋁-鋅-鎂三元合金中IMC的Gibbs自由能進行計算，同時對不同鋁-鎂和鋁-鋅-鎂成分比例的非平衡凝固過程進行計算，最后對加鋅的鋁-鎂樣采用DSC分析。結(jié)果表明:鋁-鎂二元化合物相中Al12Mg17的Gibbs自由能小于Al3Mg2的Gibbs自由能，且在富鎂區(qū)域生成Al12Mg17相，在富鋁區(qū)域生成Al3Mg2相。通過對鋁-鋅-鎂三元合金中的IMC進行熱力學計算，發(fā)現(xiàn)MgZn2的Gibbs自由能遠小于Al3M

4、g2和Al12Mg17的Gibbs自由能。結(jié)合加鋅鋁-鎂粉末的DSC分析，說明在加入鋅后可以很好地抑制Al3Mg2和Al12Mg17的生成。
　　其次，采用Gleeble熱模擬試驗機對Al/Mg異種材料進行熱壓縮試驗，研究成分及熱力耦合共同作用下，鋁-鎂界面IMC的演變規(guī)律。試驗結(jié)果表明，對鋁鎂直接進行熱壓縮時，雖然低于鋁鎂共晶溫度，但當應變速率達到10S-1時，在鋁鎂界面仍有明顯的Al3Mg2和Al12Mg17生成，可以推斷在F

5、SW過程中，攪拌區(qū)材料的大塑性變形對IMC的析出有促進作用。當Al/Mg界面加入鋅片時，在熱壓縮峰值溫度達到380℃時，壓縮接頭有大量的液相金屬擠出，對其進行DSC和XRD分析，發(fā)現(xiàn)其主要為鎂-鋅、鎂-鋁二元化合物和鋁鎂鋅三元化合物。
　　最后，采用有限元軟件Ansys對不同F(xiàn)SW參數(shù)下接頭的溫度場進行計算，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，結(jié)合溫度場結(jié)果建立Al/Mg界面原子擴散的動力學模型，研究FSW焊接參數(shù)與Al/Mg界面處IMC