中間層Ni對TC4/2A14異種金屬攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響

張鑫，吳鴻燕，陳玉華，陳保國

中間層Ni對TC4/2A14異種金屬攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響

張鑫1,2，吳鴻燕3，陳玉華2*，陳保國1

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.南昌航空大學(xué)航空制造學(xué)院，南昌 330063；3.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，江西 九江 332007）

添加0.05 mm厚的Ni箔作為中間層，對3 mm厚的TC4鈦合金和2A14鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊，分析Ni對接頭力學(xué)性能的影響。采用掃描電鏡、EDS能譜及XRD衍射等微觀表征分析方法，對焊接接頭的斷口形貌、成分進(jìn)行分析，探究Ni箔對焊接接頭力學(xué)性能的影響。由于鈦合金和鋁合金存在較大的物理化學(xué)性能差異，Ti/Al異種金屬焊接性較差，界面容易產(chǎn)生TiAl3、TiAl、Ti3Al等金屬間化合物，其中脆性相TiAl3對接頭性能的影響最大，會(huì)導(dǎo)致綜合力學(xué)性能下降。當(dāng)加入中間層材料Ni后，由于Ni與Al晶體結(jié)構(gòu)均屬于面心立方，因此Ni與Al的擴(kuò)散系數(shù)大于Ti與Al的擴(kuò)散系數(shù)，Ni和Al之間優(yōu)先形成金屬間化合物且彌散分布于焊縫中，從而縮短了Ti與Al之間的相互擴(kuò)散時(shí)間，減少了TiAl3相的生成。在未添加中間層材料時(shí)，接頭平均抗拉強(qiáng)度為237.3 MPa，約為2A14鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的56.7%；當(dāng)添加中間層Ni后，對焊縫中金屬間化合物的種類和數(shù)量進(jìn)行了調(diào)控，減少了對性能影響最大的TiAl3相的生成，接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到285.3 MPa，為2A14鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的68%。

Ti/Al接頭；攪拌摩擦焊；中間層材料；金屬間化合物；力學(xué)性能

鈦鋁異種金屬的連接可以充分發(fā)揮2種金屬的優(yōu)勢，得到的異質(zhì)構(gòu)建不僅具有很好的耐蝕性、耐磨性以及較高的比強(qiáng)度，還能減輕結(jié)構(gòu)重量[1-3]，在新能源汽車制造、海洋工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[4-5]。由于鈦合金和鋁合金的物理化學(xué)性能存在較大的差異，焊縫中極易形成脆性金屬間化合物而降低接頭力學(xué)性能[6-8]。吳新勇等[9]研究了TC4鈦合金與AA6060鋁合金的激光搭接焊，研究表明，焊縫產(chǎn)生了裂紋，分析認(rèn)為是因?yàn)楹缚p中形成了大量TiAl、TiAl3等金屬間化合物，導(dǎo)致接頭的脆性提高。Jiang等[10]對TC4鈦合金與5083鋁合金進(jìn)行了激光對接焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在焊后的Ti/Al接頭中同樣出現(xiàn)了裂紋。李永梅等[11]研究表明，焊接過程中的熱輸入會(huì)直接影響焊縫中金屬間化合物的種類和數(shù)量，但是控制熱輸入對工藝的要求較高，這為企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)帶來了不便。為了減少焊接過程中的熱輸入，越來越多的學(xué)者采用電阻點(diǎn)焊、超聲波焊、攪拌摩擦焊等固相焊方法對鈦/鋁連接進(jìn)行研究。高原等[12]對0.2 mm厚的TC4和2A12薄板進(jìn)行了微電阻點(diǎn)焊研究，發(fā)現(xiàn)接頭斷裂形式仍以脆性斷裂為主。朱政強(qiáng)等[13]對0.3 mm厚的6061鋁合金和TC4鈦合金進(jìn)行了超聲波焊接，研究表明，當(dāng)焊接時(shí)間為170 ms、焊接壓力為0.4 MPa時(shí)，得到了最大抗裂強(qiáng)度113 N，通過顯微分析發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)域硬度明顯提高，鋁合金和鈦合金區(qū)域元素?cái)U(kuò)散層厚度約為0.4 μm。戈軍委[14]對3 mm的TC4和2A14鋁合金攪拌摩擦焊進(jìn)行了研究，經(jīng)SEM、XRD、TEM分析發(fā)現(xiàn)，TiAl3脆性相以Ti/TiAl3/Al相間分布的形式分布在鈦顆?；w或者鈦顆粒與鋁基的交界處，嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué)性能。為了控制Ti/Al接頭中的金屬間化合物，越來越多的研究者通過添加過渡材料的方式對金屬間化合物進(jìn)行調(diào)控。陶詩偉[15]、陳紀(jì)宇[16]、倪加明等[17]、張鑫等[18]均通過添加過渡材料的方式得到了性能較高的Ti/Al接頭。本文選擇與Al具有相同晶體結(jié)構(gòu)且具有良好焊接性及綜合性能的Ni作為填充層材料，探討了Ni對金屬間化合物的影響，以期為提高Ti/Al異種金屬接頭性能提供一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)

以200 mm×80 mm×3 mm的2A14鋁合金（T4態(tài)）和TC4鈦合金為材料，將0.05 mm箔狀中間層夾置于兩板中間，如圖1所示，將鋁合金置于返回邊[19]。攪拌頭軸肩為18 mm，電火花加工深度為0.55 mm，攪拌針直徑為6 mm，針長為2.6 mm，采用左螺紋。采用Kroll試劑（1 mL HF+1.5 mL HCL+2.5 mL HNO3+ 24 mL H2O）對接頭進(jìn)行腐蝕，并使用裝配有EDS的Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡和D8X射線衍射儀對接頭的不同區(qū)域進(jìn)行元素分析和成分分析。

圖1 焊接裝配圖

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不添加任何中間層材料的情況下，對TC4鈦合金和2A14鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊，當(dāng)轉(zhuǎn)速為375 r/min、焊速為75 mm/min、下壓量為0.2 mm、焊接角度為2°時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最高，為237.3 MPa，約為2A14鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的56.7%。斷口形貌及采樣區(qū)內(nèi)能譜分析結(jié)果如圖2所示。由圖2a可知，斷面光滑平整，未產(chǎn)生韌窩形貌，在Ti-Al金屬間化合物作用下發(fā)生了脆性斷裂。

接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，在攪拌針的作用下界面呈弧形不規(guī)則狀，且在“抽吸-擠壓”作用下，鈦顆粒隨攪拌針的旋轉(zhuǎn)以“洋蔥環(huán)”狀分布于焊縫中形成了焊核。由于攪拌摩擦焊屬于固相連接，焊接過程中的溫度較低，熔點(diǎn)較高的中間層Ni未熔化，而是以顆粒狀形態(tài)呈環(huán)狀分布于焊縫中，因此，底部存在未受攪拌針影響而發(fā)生破碎的Ni。

圖2 斷口形貌及采樣區(qū)內(nèi)能譜分析

圖3 接頭橫截面宏觀形貌及各區(qū)域放大圖

斷口的SEM圖如圖4所示。將斷口分為2個(gè)區(qū)域以便于分析：接頭下部區(qū)域E和上部區(qū)域F。由圖4a可知，斷口下部區(qū)域E呈“峽谷”狀，上部區(qū)域F相對平整。由圖4b可以看出，區(qū)域E左側(cè)出現(xiàn)了一條“亮帶”，且“亮帶”與左側(cè)結(jié)合界面處出現(xiàn)了孔洞缺陷，但與右側(cè)金屬結(jié)合致密，此區(qū)域的斷裂表面光滑，屬于脆性斷裂。由圖4b可以看出，斷口部分區(qū)域有明顯的撕裂棱和韌窩，為韌性斷裂。綜上，當(dāng)添加中間層材料Ni后，接頭斷裂方式為韌性+脆性混合斷裂，兼具了一定的韌性和強(qiáng)度，綜合力學(xué)性能較好。

對斷口不同區(qū)域進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5a的能譜分析數(shù)據(jù)可知，“亮帶”含有少量Ti，但主要元素為Ni，說明“亮帶”應(yīng)為夾置于鈦合金和鋁合金中間的Ni，由前文接頭橫截面宏觀形貌分析可知，焊縫底部存在部分未受攪拌針影響而留存于鈦合金和鋁合金中間的Ni，且此部分Ni與鋁合金側(cè)結(jié)合致密，而與鈦合金側(cè)存在缺陷，因此，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，Ni與鈦合金側(cè)斷裂，在斷口呈現(xiàn)“亮帶”狀。如圖5b所示，經(jīng)放大后的韌窩淺而小，且韌窩中存在大小不一的顆粒物，由圖5e的能譜結(jié)果可知，韌窩中的顆粒物由Al、Cu、Si、Ti等元素組成，由元素峰值強(qiáng)度可推斷出顆粒物中的Ti元素含量較少，應(yīng)不屬于Ti-Al化合物，母材2A14鋁合金為Al-Cu系鋁合金，主要化學(xué)元素為Al、Cu、Si，故顆粒物應(yīng)是Ti與2A14鋁合金在焊接過程中因受熱量影響而析出的強(qiáng)化相混合物，采樣點(diǎn)2的測試結(jié)果說明非顆粒物為母材鋁。由圖5c可以看出，Ni與Al界面產(chǎn)生了Ti-Al化合物，初步分析應(yīng)為Ti3Al相。Ni帶右側(cè)本應(yīng)為母材鋁，但線掃結(jié)果顯示，Al元素和Ti元素都很少，而Ni元素強(qiáng)度穩(wěn)定，且延伸至母材鋁內(nèi)。這說明加入的中間層材料Ni箔片確實(shí)阻礙了鈦/鋁界面金屬間化合物的產(chǎn)生。由圖5f可知，圖5d中顆粒狀物質(zhì)Ti、Al的原子比約為1︰1，應(yīng)屬于TiAl相，而V為TC4鈦合金的主要合金元素，Cu、Si為2A14鋁合金的主要合金元素，因此，顆粒物應(yīng)為TiAl相與TC4鈦合金的混合物。

圖4 斷口掃描電鏡圖

圖5 斷口形貌及能譜分析

添加中間層Ni后接頭的XRD圖譜如圖6所示?？芍?，加入中間層材料Ni后，Ni對金屬間化合物的形成起到了一定的調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生了較多塑性優(yōu)于Ti3Al的TiAl相，在一定程度上提高了接頭的力學(xué)性能。

圖6 添加中間層Ni后接頭XRD圖譜

2.2 調(diào)控機(jī)制分析

Ti-Al二元系統(tǒng)反應(yīng)Gibbs自由能曲線如圖7所示[20-21]?？芍?00 K以下時(shí)，各相按自由能由高到低的順序依次為：Ti3Al相、TiAl相、TiAl3相、Ti2Al5相、TiAl2相。自由能越高，說明此種化合物越不穩(wěn)定，越容易生成其他相，反之則越穩(wěn)定且越容易獲得。由Ti-Al二元相圖可知，TiAl2和Ti2Al5相為中間產(chǎn)物TiAl相經(jīng)固相反應(yīng)后而獲得的，因此，在Ti和Al原子互擴(kuò)散時(shí)，初生相應(yīng)為TiAl3相，這一結(jié)果被Xu等[22]使用的MEHF理論模型所驗(yàn)證，他們計(jì)算出的金屬間化合物形成順序?yàn)門iAl3→TiAl→Ti3Al。

為分析Ni對鈦/鋁接頭金屬間化合物的調(diào)控機(jī)理，假設(shè)焊接過程中被焊工件在厚度方向還未發(fā)生金屬流動(dòng)，對攪拌針前沿的一瞬態(tài)進(jìn)行研究。攪拌針前沿瞬態(tài)模型圖如圖8所示。在焊接熱輸入的作用下，可將攪拌針前沿Ti和Al的連接視為擴(kuò)散焊。

圖7 不同Ti-Al金屬間化合物的自由能與溫度關(guān)系曲線

圖8 攪拌針前沿瞬態(tài)模型圖

Askew等[23]研究表明，當(dāng)不同原子之間發(fā)生互擴(kuò)散時(shí)，影響擴(kuò)散過程的重要影響因素之一為晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越相似則原子互擴(kuò)散越容易。TC4鈦合金為密排六方+體心立方結(jié)構(gòu)，而Ni與Al晶體結(jié)構(gòu)均屬于面心立方，說明Ni與Al之間更容易發(fā)生原子互擴(kuò)散，并形成如下的冶金反應(yīng)：3Al+Ni→Al3Ni，又由于Al3Ni相不穩(wěn)定，因此發(fā)生Al3Ni+Ni→Al3Ni2反應(yīng)后，形成了穩(wěn)定的Al3Ni2相，且Al3Ni2相被攪拌后彌散分布于焊縫中，增強(qiáng)了接頭強(qiáng)度。在Al和Ni發(fā)生原子互擴(kuò)散的過程中，需要一定的激活能，而當(dāng)攪拌摩擦焊接過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，接頭中的總能量保持平衡，使Ti和Al原子互擴(kuò)散時(shí)可用的能量減少，即對接頭影響較大的脆硬TiAl3相會(huì)減少。綜上，中間層材料Ni的加入會(huì)使Ni先于Ti與Al生成金屬間化合物，且形成的少量Al-Ni金屬間化合物彌散分布于焊縫中。當(dāng)Ti與Al互擴(kuò)散時(shí)，Ti向Al中的擴(kuò)散能力更強(qiáng)[24-25]，故在接頭中整體熱能被Al與Ni的互擴(kuò)散消耗的情況下，產(chǎn)生的TiAl3相會(huì)減少。

3 結(jié)論

1）當(dāng)未加入中間層Ni時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最高為237.3 MPa，約為2A14鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的56.7%。加入中間層Ni后，平均抗拉強(qiáng)度為285.3 MPa，達(dá)到2A14鋁合金母材抗拉強(qiáng)度的68%。

2）由于Al與Ni之間的擴(kuò)散系數(shù)較高，因此Al-Ni金屬間化合物優(yōu)先形成，并消耗了部分焊接過程中產(chǎn)生的熱能，導(dǎo)致Ti與Al之間可用的擴(kuò)散能減少，從而減少了脆性TiAl3相的生成。

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Effect of Ni Interlayer on Microstructure and Properties of TC4/2A14 Dissimilar Metal Joints Welded by Friction Stir Welding

ZHANG Xin1,2, WU Hong-yan3, CHEN Yu-hua2*, CHEN Bao-guo1

(1. School of Intelligent Manufacturing, Changzhou Vocational Institute of Engineering, Jiangsu Changzhou 213164, China; 2. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 3. School of Shipbuilding Engineering, Jiujiang Vocational and Technical College, Jiangxi Jiujiang 332007, China)

The work aims to analyze the effect of Ni on the mechanical properties of the joint by adding 0.05 mm thick Ni foil as interlayer and weld 3 mm thick TC4 titanium alloy and 2A14 aluminum alloy by friction stir welding. Scanning electron microscopy, EDS spectroscopy, and XRD diffraction micro characterization analysis methods were adopted to analyze the fracture morphology and composition of welded joint and explore the effect of Ni foil on the mechanical properties of the welded joint. The weldability of Ti/Al dissimilar metals was poor due to the significant differences in physical and chemical properties between titanium alloy and aluminum alloy, and the intermetallic compounds such as TiAl3, TiAl, and Ti3Al were easily generated at the interface, in which the brittle phase TiAl3had the greatest impact on the joint performance, leading to a decrease in overall mechanical properties. After the interlayer Ni was added, due to the fact that both Ni and Al crystal structures were the face centered cubic structure, their diffusion coefficient with Al was higher than that of Ti and Al, leading to the preferential formation of intermetallic compounds between Ni and Al and their dispersion in the weld seam, thereby reducing the mutual diffusion time between Ti and Al and the generation of TiAl3phase. The average tensile strength of the joint is 237.3 MPa, which is about 56.7% of that of the 2A14 aluminum alloy base material without interlayer material. On the other hand, the type and quantity of intermetallic compounds in the weld seam are regulated, reducing the generation of TiAl3phase that has the greatest impact on performance, and making the average tensile strength of the joint reach 285.3 MPa, which is 68% of the tensile strength of the 2A14 aluminum alloy base material after the interlayer Ni is added.

Ti/Al joint; friction stir welding; interlayer material; intermetallic compounds; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.016

TG146.2；TG453+.9

A

1674-6457(2023)011-0140-07

2023-07-26

2023-07-26

國家自然科學(xué)基金（52175326，51865035）；江西省科技獎(jiǎng)后備培育項(xiàng)目（20212AEI91004）

National Natural Science Foundation of China (52175326, 51865035); Jiangxi Provincial Science and Technology Award Reserve Cultivation Project (20212AEI91004)

張鑫, 吳鴻燕, 陳玉華, 等. 中間層Ni對TC4/2A14異種金屬攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 140-146.

ZHANG Xin, WU Hong-yan, CHEN Yu-hua, et al. Effect of Ni Interlayer on Microstructure and Properties of TC4/2A14 Dissimilar Metal Joints Welded by Friction Stir Welding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 140-146.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨