6061鋁合金真空軋制復合工藝研究

摘要：對6061鋁合金進行了真空軋制復合及熱處理實驗，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子探針微量分析儀和電子萬能試驗機研究了軋制壓下率對鋁合金復合板連接界面處顯微組織和力學性能的影響。結果表明，顆粒狀Mg2Si相沿熱軋態連接界面間斷性析出，并在后續熱處理過程中發生回溶。60%壓下率的時效態界面存在富含Mg、O的未愈合缺陷，相應的固溶態和時效態拉伸斷口均呈脆性斷裂特征。80%壓下率的連接界面表現出良好的愈合效果，并且時效態界面處Mg、O的富集被有效降低，熱軋態、固溶態和時效態拉伸斷口均呈韌性斷裂特征，對應的抗拉強度分別為166、229、305 MPa。

關鍵詞：6061鋁合金；真空軋制復合；軋制壓下率；連接界面；力學性能

中圖分類號：TG 146.21；TG 335.5文獻標志碼：A

Research on vacuum roll-bonding of 6061 aluminum alloy

ZHANG Xin，LUO Zongan，ZHOU Hongyu，LIU Zhaosong，YANG Jinsong

（State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

Abstract：Vacuum roll-bonding and heat treatment were carried out on the 6061 aluminum alloy，and the effect of reduction rate on the microstructure and mechanical properties of the bonding interface of aluminum alloy laminates was investigated using optical microscopy，scanning electron microscopy，electron probe microanalyzer，and electronic universal testing machine.The results indicated that the granular Mg2Si phase precipitated intermittently along the hot-rolled interface and underwent back dissolution during subsequent heat treatment.There were unhealed defects rich in Mg and Oat the aged interface at 60%reduction rate，and the corresponding tensile fracture in both solution-treated and aged states exhibited brittle fracture characteristics.The bonding interface at 80%reduction rate exhibited good healing effect，and the enrichment of Mg and Oat the aged interface was effectively reduced.The tensile fractures in the hot-rolled，solution-treated，and aged states all exhibited ductile fracture characteristics，with corresponding tensile strengths of 166，229，and 305 MPa，respectively.

Keywords：6061 aluminum alloy;vacuum roll-bonding;rolling reduction rate;bonding interface;mechanicalproperty

鋁合金作為一種輕量化材料，由于其良好的比強度、可焊性、耐蝕性和成形性，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、建筑型材等工業領域中關鍵構件的加工制造[1-2]。在一些關鍵構件的制備過程中不可避免地會涉及到相關固相連接技術，如：攪拌摩擦焊[3-4]、線性摩擦焊[5]、擴散焊接[6]、爆炸復合[7]、熱壓結合[8]、熱軋復合[9]等。其中，軋制復合是利用軋制過程中的強大壓力使接觸面相互牢固結合，該工藝具有綠色低碳、穩定高效、流程短、成本低等優點。然而，在傳統熱軋復合過程中，金屬表面易被氧化而抑制其結合效果。為了改善這一缺陷，相關科研人員將真空封焊技術引入熱軋復合工藝，實現了鋁/鈦[10]、鈦/鋼[11]、鋼/鋼[12]等金屬板坯的固相連接，有效保證了連接界面的純凈度。目前，鋁/鋁復合板的軋制復合相關研究[9，13]均在大氣環境下進行，這導致連接界面存在明顯的氧化夾雜問題。因此，有必要對鋁合金材料開展真空軋制復合工藝研究。

本文采用真空軋制復合技術對6061鋁合金進行了同質固相連接，采用光學顯微鏡（optical microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對連接界面進行了顯微組織表征，通過電子探針微量分析儀（electronprobe microanalyzer，EMPA）對連接界面的元素分布進行了分析，并對連接界面的力學性能進行測試，探究6061鋁合金同種材料固相結合的工藝窗口，為6xxx鋁合金復合板的工業化開發提供數據參考和技術支持。

1實驗材料及方法

本實驗原材料是尺寸為250 mm×250 mm×25 mm的AA6061-T6鋁合金板材，其化學成分如表1所示。首先，用無水乙醇清洗切好的鋁合金板材表面，然后打磨去除表面氧化物，再用丙酮和無水乙醇先后清洗打磨后的板材并吹干。將兩塊板材疊放固定于自主研發的真空攪拌摩擦焊機的真空室內，在10?2 Pa真空條件下進行焊接封裝。隨后，將封焊完成的板坯在530℃下保溫4 h，并分別以60%和80%的壓下率進行軋制復合。最后，對軋后板材進行固溶和時效處理，工藝為540℃×1 h+177℃×8 h，固溶和時效處理的間隔小于4 h。

分別從熱軋態和時效態板材上取金相試樣進行研磨和拋光，并用凱勒試劑（體積分數：1.0%HF，1.5%HCl，2.5%HNO3，95.0%H2O）腐蝕10～12 s，然后用OM觀察試樣連接界面。使用配備能量色散光譜（energy disperse spectroscopy，EDS）的JXA-8530F型EPMA分析復合板連接界面處的元素分布。分別沿板材厚度方向，即垂直連接界面方向，從熱軋態和時效態板材上取拉伸試樣。拉伸試樣示意圖如圖1所示，使用電子萬能試驗機測試拉伸試樣的力學性能，拉伸速率為0.6 mm/min。采用Zeiss ultra-55型SEM觀察拉伸斷口。

2結果與討論

2.1顯微組織

圖2為不同壓下率的熱軋態及時效態鋁合金復合板界面處的OM圖。從圖2中可以看出，60%壓下率的熱軋態連接界面顯現出較為明顯的結合痕跡（圖2a），時效態連接界面則存在明顯的未愈合缺陷（圖2b）。在80%壓下率下，熱軋態連接界面（通過微觀硬度點標記）愈合良好，并且沿連接界面間斷分布著細小的析出相顆粒（圖2c），這些析出相顆粒在隨后的熱處理過程中發生回溶，相應的時效態連接界面也顯現出良好的愈合效果（圖2d）。

為了進一步分析界面顯微組織演變，對80%壓下率、經過腐蝕的熱軋態連接界面進行EDS分析，結果如圖3所示。從圖3中可以看出，連接界面處

主要含有Mg、O、Si三種元素，其中沿連接界面析出的第二相顆粒主要含有O和Si。然而，根據相關文獻可知，6xxx鋁合金的時效析出序列為：SSSS（過飽和固溶體）→原子團簇（Mg、Si）→GP區（納米沉淀相）→β〃（Mg5Si6）[14]→β′（Mg9Si5，過渡相）[15]→β（Mg2Si，平衡相）[16]，并且6xxx鋁合金基體中不存在大量僅由O和Si形成的能夠析出和溶解的其他大尺寸第二相顆粒。分析該結果可知，這種現象是由于界面處的析出相顆粒（Mg2Si相）被凱勒試劑腐蝕以后原始成分改變所致[17]。在強酸環境下，Mg2Si相中的Mg被溶解，而Si在與水接觸時形成了不溶性SiO2，Mg的選擇性溶解導致SiO2在Mg2Si表面富集，從而被檢測出來，相應的化學反應如下[18]：

Mg→Mg2++2e-（1）

2H2O+2e-→H2+2OH-（2）

Mg+2H2O→Mg（OH）2+H2（3）

Si+2H2O→SiO2+4H++4e-（4）

對未經腐蝕的熱軋態界面處的析出相顆粒進行SEM觀察和EDS分析，如圖4所示。可以看出，界面處的析出相顆粒主要含有Mg、O、Si三種元素。結合該析出相能夠在后續熱處理過程中回溶的現象可以確定該析出相為Mg2Si。此外，該析出相的O含量較高的原因是，在試樣制備過程中Mg2Si由于其Mg含量較高，吸收了空氣中的O，從而導致EDS檢測結果中O含量較高，Peng等[17]也發現了類似的現象。

圖5為不同壓下率的時效態連接界面處的元素分布結果。在60%壓下率的時效態連接界面處的未愈合缺陷中明顯富集了Mg、O，而在80%壓下率的時效態連接界面表現出良好的愈合效果，Mg、O富集現象也被有效抑制，并呈現出相對均勻的分布結果。相關研究[19]表明，鋁合金在大氣環境下極易氧化，其新鮮表面會迅速覆蓋一層厚度為2～4 nm的致密且穩定的非晶氧化膜。這說明盡管在軋制復合之前保持結合界面處于較高的真空狀態，鋁合金表面的原始氧化膜的形成仍然不可避免，且會成為界面愈合的阻礙。在軋制復合過程中，60%的壓下率也不能完全破碎連接界面的原始氧化膜，有必要將軋制壓下率提高至80%。此外，EDS分析結果還表明，連接界面處的原始氧化膜在后續的熱處理過程中最終演變為含Mg氧化物。

2.2力學性能

圖6為不同壓下率的復合板連接界面處的應力?應變曲線，對應的抗拉強度和伸長率如表2所示。圖7為不同壓下率的復合板的拉伸斷口形貌。從圖7中可以看出，60%與80%壓下率的熱軋態復合板的抗拉強度分別為163 MPa和166 MPa，伸長率分別為43.5%和47.1%，對應的拉伸斷口均呈現出大量的韌窩組織（圖7a，7b），這表明60%和80%壓下率的熱軋態連接界面均能達到基體水平。經過固溶和時效處理后，不同壓下率復合板連接界面處的抗拉強度顯著提高，伸長率有所降低。然而，60%壓下率的固溶態和時效態復合板的綜合力學性能均明顯弱于80%壓下率條件下的，固溶態斷口韌窩小而淺（圖7c），時效態斷口表面光滑（圖7e），宏觀斷面均較為平整（圖7c、7e），這表明在拉伸過程中，試樣沒有經歷較大的塑性變形就在連接界面處發生了斷裂，呈現出明顯的脆性斷裂特征。相對而言，80%壓下率的固溶態和時效態復合板拉伸斷口的韌窩大而深（圖7d，7f），宏觀斷面的收縮較大，表明在拉伸過程中試樣發生了嚴重的塑性變形，呈現出明顯的韌性斷裂特征。因此，在6061鋁合金真空軋制復合的過程中，提高軋制壓下率能夠有效促進連接界面的愈合。

3結論

（1）在真空軋制復合過程中，沿熱軋態連接界面間斷性析出顆粒狀Mg2Si相，該析出相在后續熱處理過程中會發生回溶。

（2）在60%壓下率下，局部熱軋態連接界面表現出明顯的結合痕跡，拉伸斷口呈韌性斷裂；而時效態界面顯現出富含Mg、O的未愈合缺陷，固溶態和時效態斷口均呈脆性斷裂。

（3）在80%壓下率下，熱軋態和時效態界面均表現出良好的愈合效果，時效態界面處Mg、O的富集被有效降低，熱軋態、固溶態和時效態斷口均呈韌性斷裂，對應的抗拉強度分別為166、229、305 MPa。

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（編輯：畢莉明）