攪拌摩擦加工對7A60鋁合金組織性能的影響

李向博，徐杰，薛克敏，李萍，張凱

(合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

Al-Zn-Mg-Cu合金(簡稱7XXX系合金)具有密度小、強度高、加工性能好等特點，被廣泛應用于航天航空和民用工業(yè)等領域，尤其在航空工業(yè)中占有十分重要的作用，是航空工業(yè)的主要結構材料之一[1—2]。近年來隨著節(jié)能減排和汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金將會變得越來越重要，對鋁合金的需求也將會越來越大，因此對鋁合金各方面性能的要求越來越高。目前提高材料組織性能最有效的辦法是細化晶粒，通過劇烈變形使材料形成細小晶粒，改變微觀組織結構來提高它的性能。

攪拌摩擦焊[3]是保證超細合金焊接后保持高強度和高塑性的有效焊接方法[4—5]。正是由于攪拌摩擦焊優(yōu)良的焊接性能，因此出現(xiàn)了基于攪拌摩擦焊(FSW)思想的[6]一種表面加工新技術[7]——攪拌摩擦加工(Friction sting Processing，F(xiàn)SP)。FSP的優(yōu)點在于不改變工件的尺寸和外形、不需加熱工件、不受加工環(huán)境的限制而具有獨特的優(yōu)勢[8]。通過夾具將坯料固定在工作臺上，利用攪拌頭的旋轉與前進提供材料塑性變形所需的溫度，籍由攪拌頭加工區(qū)域內(nèi)母材的劇烈塑性變形、混合、破碎作用，實現(xiàn)金屬工件微觀組織的細化、均勻化(復合化)和致密化[9—11]，實現(xiàn)晶粒的細化，從而提高材料的性能。攪拌頭的旋轉速度和前進速度作為該工藝最重要的參數(shù)，一直是工作者的研究重點。文中通過對單因素變量法研究旋轉速度和進給速度的影響，為該工藝的實際應用提供思路，最后通過對溫度場的模擬，分析加工過程的溫度分布。

1 實驗

實驗的參數(shù)為:攪拌頭旋轉速度600 r/min，行進速度分別為100，120，150 mm/s;攪拌頭旋轉速度為800 r/min，行進速度為100 mm/s。實驗采用擠壓態(tài)的7A60鋁合金板坯，坯料尺寸為φ100 mm×5 mm，通過酸洗+酒精+丙酮對板坯進行處理，去除掉表面的雜質(zhì)和氧化層，加工過程中控制軸肩壓入量約為0.2 mm。

實驗采用上海航天設備制造總廠生產(chǎn)的HTJL101212H型攪拌摩擦焊設備，采用錐形帶螺紋的攪拌針的攪拌頭，軸肩直徑12 mm，攪拌針長4 mm根部直徑3 mm，攪拌頭傾斜角為2.8°。

圖1 攪拌頭Fig.1 Mixing head

2 結果及分析

2.1 焊縫中心宏觀形貌

由圖2可以看出，焊縫總體較為光滑，呈現(xiàn)魚鱗狀，實驗結果滿足后續(xù)性能研究的要求。焊縫沒有出現(xiàn)毛刺等缺陷，飛邊產(chǎn)生量較少，說明下壓量合適。

圖2 加工后的試樣Fig.2 Processed sample

2.2 加工區(qū)微觀組織

通過打磨、拋光及腐蝕之后進行顯微組織觀察，試驗觀察結果如圖3所示，a，b，c，d，e分別為母材及各參數(shù)加工后的第二相形貌圖。如圖3所示，原始樣a組織中的第二相顆粒較大，分布不均勻，經(jīng)過攪拌摩擦加工后的試樣，組織發(fā)生了明顯的變化。這是由于金屬在發(fā)生塑性變形時，原始的組織在攪拌頭的作用下被拉成纖維狀，之后在攪拌頭和工件產(chǎn)生的摩擦熱的作用下，原始粗大的第二相被打碎，均勻分散到細小的晶粒中，進而通過第二相的彌散強化提高了性能，組織中的第二相被打碎，變得非常細小，并且分布更加均勻。

圖3 拌區(qū)顯微組織Fig.3 Microstructure of the mixing zone

2.3 力學性能分析

母材的抗拉強度為292.9 MPa，在旋轉速度600 r/min條件下，當焊接速度100 mm/s時，抗拉強度為321.9 MPa，當焊接速度為1500 mm/s時，抗拉強度為310.7 MPa;在旋轉速度800 r/min條件下，當焊接速度100 mm/s時，抗拉強度為355.7 MPa。經(jīng)過攪拌摩擦加工的試樣抗拉強度與母材相比有了明顯提高。分別增加了 9.9%，6.0%，21.4%。7A60 系鋁合金一般通過改善第二相提高組織性能。由于塑性變形區(qū)組織中第二相被打碎、細化，均勻分散到組織中，基體中分散而均勻的第二相便可以阻止位錯的增值和擴散，進而提高材料強度。同時焊核區(qū)從軸肩影響區(qū)到焊接渦旋區(qū)，晶粒尺寸逐漸減小[12]，因此從晶粒大小說明了經(jīng)過攪拌摩擦加工后試樣的拉伸強度增加。

2.4 加工區(qū)域拉伸斷口分析

斷口是材料性能最弱或零件所受應力最大的部位[13]，圖4為初始試樣和經(jīng)過攪拌摩擦加工后試樣焊縫中心的拉伸斷口顯微組織形貌，加工參數(shù)為800 r/min+100 mm/min。母材的斷口為層片狀，幾乎沒有韌窩，因此此斷裂方式為脆性斷裂;經(jīng)過攪拌摩擦加工后的斷口有明顯大且深的韌窩，說明此試樣的斷裂方式為韌性斷裂，塑性提高。同時在韌窩底部大部分第二相粒子沒有裂紋，說明經(jīng)過攪拌摩擦加工后形成的第二相為硬質(zhì)相，提高材料的性能。通過分析可得經(jīng)過攪拌摩擦加工后試樣的斷裂為韌性斷裂，提高母材的塑性。

圖4 試樣斷口SEM圖Fig.4 SEM image of the specimen fracture

3 溫度場模擬結果

通過對Marc軟件二次開發(fā)，模擬了攪拌摩擦加工過程中溫度場的變化。模擬中的參數(shù)取攪拌頭的轉速為600 r/min，前進速度為150 mm/min。隨著旋轉速度增加，攪拌區(qū)溫度總體升高，且高溫區(qū)的貫穿深度增加[14]。圖5為攪拌摩擦加工即將結束時攪拌區(qū)的溫度場分布，最高溫度為446.1℃，未超過材料熔點。攪拌頭前部的高溫區(qū)要比攪拌頭后方的高溫區(qū)域窄，這是因為攪拌頭前方的材料只收到熱傳導作用的影響，而攪拌頭后方的材料除了受到熱傳導的作用，還經(jīng)歷熱源的熱輸入，而攪拌頭前方的材料由于遠離攪拌頭，所以溫度較低，熱量只能通過熱傳導進行，故高溫區(qū)較窄。

圖5 124.5 s時的溫度場Fig.5 Temperature Field at t=124.5 s

圖6所示為焊縫等距線節(jié)點熱循環(huán)曲線，可以看出攪拌區(qū)經(jīng)歷了典型的熱循環(huán)。

圖6 焊縫等距線節(jié)點熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermal cycle curves of nodes on welding center equidistant line

4 結論

1)成功地用攪拌摩擦加工實現(xiàn)了鋁合金塑性變形，焊縫美觀，幾乎沒有變形、裂紋、毛刺等缺陷。

2)加工區(qū)域組織的第二相相比細化的同時分布更加均勻，有利于性能的提高。

3)抗拉強度分別增加了 9.9%，6.0%，21.4%，端口分析表明:母材斷裂方式為脆性斷裂，加工中心區(qū)域斷裂方式為韌性斷裂。

4)加工過程的溫度隨加工程度深入逐漸增加，并且攪拌頭前方的溫度梯度較大，后方較小，同時攪拌區(qū)經(jīng)歷了典型的熱循環(huán)。

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