冷金屬過渡條件下鎂/鈦界面結構與潤濕行為的研究

居春艷，隋 然

（1.蘭州理工大學 技術工程學院 材料與化工工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業學院 材料工程學院，甘肅 蘭州 730050）

鎂與鈦的連接是實現構件輕量化的重要手段之一[1]。一方面，鈦及鈦合金擁有比強度高、比剛度高、抗氧化、耐腐蝕性能優越等優點；另一方面，鎂及鎂合金擁有高比強度、可鑄性好，可循環利用等優點，且密度僅為鈦密度的38%，是目前可應用的最輕結構金屬材料。結合兩種材料自身優勢，實現鎂與鈦的連接是拓展其在汽車工業和航空航天領域應用的重要方式[2，3]。

然而，鎂和鈦迥異的物理、化學性能，無冶金反應，以及不互溶的特性，使得這兩種金屬的連接極為困難，這也給鎂合金與鈦合金的應用帶來很大的挑戰。目前，可應用的鎂/鈦連接方法有激光焊[4]、摩擦焊[5]、冷金屬過渡焊[6，7]和擴散焊等[8]。

在眾多連接方法中，冷金屬過渡焊接以其效率高，適用性強，熱輸入可控等優點，成為實現鎂/鈦高質量有效連接的重要手段。

目前，多數研究集中在鎂/鈦冷金屬過渡焊接實施的工藝參數，焊接接頭評定等方面，而鎂/鈦有效連接的關鍵問題之一，即鎂合金熔滴在鈦合金表面的潤濕，卻往往被忽略。周彥林等人[9]研究了鋁/鋼在冷金屬過渡條件下的潤濕行為與界面結構特征，發現潤濕性與界面上的熱輸入密切相關；曾承宗等人[10]采用數值計算方法模擬了不同導熱性質的母材與鋁合金熔滴的潤濕，發現母材的熱導率不同導致了不同的界面熱輸入，進而影響到界面反應強度和潤濕性；車洪艷等人[11]通過對鎂/鋼連接接頭的有限元模擬，發現接頭的強度直接取決于釬接面積，即焊縫成形過程中的潤濕性；檀財旺等人[12]應用激光焊實施了鎂/鈦的熔釬焊，并引入鋁夾層作為改善潤濕性和提高接頭強度的重要手段。

因此，本文采用AZ61鎂合金(含鋁約6.5wt.%)在純鈦表面冷金屬過渡條件下的潤濕為研究對象，旨在建立焊接工藝參數、潤濕性及界面結構之間的聯系，為鎂/鈦的高質量有效連接提供基礎數據和理論參考。

1 試驗材料及方法

試驗采用尺寸為200mm3×50mm3×1mm3的TA2工業純鈦板和直徑為1.2mm的AZ61鎂合金焊絲，具體化學成分如表1、表2所示。

表1 AZ61鎂合金焊絲的化學成分(wt.%)

表2 工業純鈦TA2的化學成分(wt.%)

試驗采用自主設計的弧焊條件下潤濕檢測平臺，焊機為CMT 3200型，以650nm波長、450mW功率的大光斑激光作為背光源，配以波長對應的濾鏡，由CCD高速攝像(1000fps@640×480dpi)記錄整個熔滴過渡與潤濕鋪展過程。潤濕試驗中，接觸角和接觸半徑是重要的特征參數，應用分析軟件，記錄過程中上述兩個參數的變化。試驗前，鈦板表面用鋼刷清理，并用丙酮清洗干凈，吹干后固定在鋼墊板上。試驗中，焊炬與母材始終呈90°角，端部與母材表面的距離為5mm，全程采用高純氬氣作為保護氣體，流量為15L/min。CMT焊機程序選擇一元程序，送絲速度為2.5m/min～7.5 m/min，試驗時間均為1 s。試驗裝置示意圖如下圖1所示。

圖1 焊接裝置示意圖

潤濕試驗結束后，沿橫截面取樣，利用掃描電鏡和能譜儀，結合相圖，對界面結構、物相組成進行分析，并對鋪展過程的控制因素進行討論。

2 試驗結果與討論

2.1 潤濕行為

CMT條件下，送絲速度在2.5m/min～7.5m/min范圍內接觸角-時間和接觸半徑-時間的變化如圖2所示。隨著送絲速度的增加，單位時間內沉積的熔滴尺寸越來越大，故鋪展半徑也隨之增加，如圖2(a)所示，其變化趨勢可由描述；另一方面，盡管受焊絲的回抽力，弧長變化等因素影響，接觸角數據較為分散，但總體趨勢上可以看出在同一時刻接觸角隨著送絲速度的增加而減小，說明熱輸入的增加使潤濕性逐漸變好；在同一送絲速度下，接觸角隨著熔滴沉積過程和界面上熱的累積也逐漸減小。從上述數據中可以得出，潤濕性與界面溫度表現出了強烈的依賴性；雖然鎂在鈦表面有較好的潤濕性，但為了滿足CMT熔釬焊工藝對潤濕性的要求(接觸角小于90o)，則要求送絲速度應大于2.5 m/min。

2.2 界面結構

由于鎂在鈦表面的潤濕性較好，送絲速度大于2.5m/min后，均能獲得相似的潤濕界面結構。增大送絲速度，鎂-鈦界面上的熱輸入相應增大，界面反應加劇，最終潤濕性更好，因此選擇6.5m/min的送絲速度，獲得相應的潤濕界面結構，作為研究對象。圖3為送絲速度為6.5m/min的界面結構。圖a為三相線結構，在三相線熔滴內部，基于多點成分分析，發現區域內有鋁元素存在。由參考文獻[13]可知，鈦在鎂中的固溶度很小，鎂在鈦中不固溶，二者亦不能形成金屬間化合物，因此，鎂/鈦界面的連接必須借助其它元素實現，該元素即為鋁元素。

圖2 不同送絲速度下潤濕性參數隨時間變化過程

圖3 送絲速度為6.5 m/min的界面結構

圖4 鎂/鈦平衡接觸角與毛系數的關系

從鋁-鎂相圖可知，二者可以形成固溶體，也可以形成金屬間化合物，通過成分分析表明該物質為Mg17Al12。三相線熔滴內部，Mg17Al12部分為骨架狀，如圖(b)所示，部分為點狀。在釬接面上，鋁元素和鈦元素同樣存在相互作用，以Al-Ti金屬間化合物存在，如圖(c)中紅色輪廓線所示。送絲速度越大，熱輸入越大，界面反應越強烈，鈦板界面上樹狀凸起越多。Al-Ti金屬間化合物附著在樹狀凸起上，不斷沉積變厚，破壞了鈦板表面形成的氧化膜，促進了鎂熔滴在鈦板表面的潤濕。

三元系合金體系的熱力學性質可以通過解析法和數值計算法確定[14]。解析法通過選擇適當的模型，對所有有效二元系信息進行擬合，選擇模型參數，最終確定三元系合金體系的熱力學性質。數值計算法是把三元系合金性質作為一些二元系性質的加權平均值，從而確定三元系合金熱熱力學性質。對于Al-Mg/Ti三元金屬體系，利用吸附能模型采用解析法來確定。Al元素在Mg/Ti界面上的吸附能可計算得出。將Ti-Mg、Al-Mg和Ti-Al二元系對應的數值帶入公[15]，計算得出E/m1=-211.859kJ/mol，該值為負，表明Al元素在Mg/Ti界面上的富集是自發的，滿足熱力學第一定律。

通常情況下，毛細數(Ca)-接觸角(q)的相互依賴關系可以用來表述鋪展的受控因素，進而揭示潤濕鋪展的機制。

3 結論

本文研究了冷金屬過渡條件下AZ61鎂合金在純鈦表面的潤濕行為，并對界面結構進行了表征，得到如下結論：

（2）界面處Al-Ti金屬間化合物層的形成滿足界面組元偏聚的吸附熱力學模型。

（3）由于鈦本身在高溫下可溶解部分氧化膜，使得鎂/鈦本身有較好的潤濕性。體系中表現出的潤濕性對溫度的依賴，則來源于界面反應隨著熱輸入增加變得更為劇烈，析出的Al-Ti金屬間化合物進一步去除了鈦表面原始的氧化膜，從而促進了鎂合金熔體在鈦表面的潤濕。

（4）據接觸角與毛細數的線性關系，表明冷金屬過渡條件下AZ61鎂在純鈦表面的鋪展主要受限于熔體的表面張力。