航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展_马俊雅.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：7986航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展马俊雅,李静静*（沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）摘要：高强铝合金具有低密度、高比强度、高比刚度及优异的耐腐蚀性能，是航空航天领域中重要的结构材料。搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，能够克服高强铝合金熔焊时产生的焊接裂纹和气孔等焊接缺陷，在航空航天领域已展现出良好的应用前景。总结了搅拌摩擦焊接过程中焊缝材料流动特性，以及典型高强铝合金传统搅拌摩擦焊接头的特点，包括接头显微组织、力学性能和断裂行为，综述了近年来的 4种新型搅拌摩擦焊工艺的研究进展及成果。最后，对高强铝合金搅拌摩擦焊未来的发展及工程应用进行了展望。关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能；断裂行为中图分类号：TG456文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0079-08引文格式：马俊雅，李静静.航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展 J.材料研究与应用，2023，17（1）：79-86.MA Junya，LI Jingjing.Research Progress and Development of Friction Stir Welding of High Strength Aluminum Alloy for Aerospace Applications J.Materials Research and Application，2023，17（1）：79-86.高强铝合金具有较高的比强度、比刚度及优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天领域中1。然而，采用传统熔焊技术焊接高强铝合金时接头易产生裂纹和气孔等缺陷，导致接头力学性能降低2。作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊（FSW）在成型过程中不存在材料熔化问题，因此特别适用于焊接对热裂纹敏感的高强铝合金3-4。过去 30年来，国内外学者针对高强铝合金 FSW 开展了大量研究工作，将 FSW 推向更多应用场合的过程中发现，FSW 过程中材料的流动行为和焊接接头微观组织、性能和焊接工艺等是决定 FSW 广泛应用的关键。本文旨在简要概述高强铝合金 FSW 领域近年的研究成果，以便进一步促进 FSW 技术的高效、低成本使用。1传统搅拌摩擦焊1.1材料流动特性FSW 中焊缝材料的流动过程是理解接头组织和力学性能的基础。目前，国内外研究学者主要采用实验观察和数值模拟两种方法研究材料的流动过程。通过在焊缝位置放置示踪材料，根据示踪材料在接头中的分布分析 FSW 过程中材料的流动行为。Zhang 等5将 2024-T351 铝合金表面的纯铝层作为示踪材料，结合搅拌针“急停”的方法，提出 FSW 过程 4 个阶段的材料流动模型，即焊缝材料经过预变形、挤出、沉积、最终形成焊缝表面。最佳的示踪材料是铝合金表面的氧化膜，但原始的氧化膜很薄只有几微米，搅碎后难以观察。针对此问题，文献 6通过将氧化膜人工加厚，还原最真实的 FSW 材料流动过程；同时，借助于材料内部的微米级沉淀相分布，证明了焊核区（Nugget zone，NZ）上部材料的流变为周期性的材料流动。以上研究均可发现，在FSW 过程中沿接头厚度方向的材料流动行为有所差异，该差异与焊接工具密切相关，根据焊接工具的各部位对材料流变的作用不同，接头 NZ 可以分为轴肩区（Shoulder driven zone，SDZ）、搅拌针区（Pin 收稿日期：2022-08-29作者简介：马俊雅（1995-），女，甘肃兰州人，硕士研究生，从事研究高强铝合金搅拌摩擦焊及焊接工艺的研究，E-mail：。通信作者：李静静（1984-），女，山东潍坊人，博士，副教授，从事增材制造及金属材料失效分析等研究工作，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.0001092 0 2 3材料研究与应用driven zone，PDZ）和漩涡区（Swirl zone，SWZ）6，其中轴肩主要控制 SDZ 的材料流动，搅拌针主要控制 PDZ和 SWZ的材料流动。由于 FSW 本身的特点，无法直接观察示踪材料在焊缝中的流动，因此该方法具有一定的局限性。数值模拟通过计算机软件与物理模型相结合，可直接模拟 FSW 过程中材料的流动场，对 FSW 材料流动特性的充分研究提供了一种有效的分析方法。Padmanaban 等7基于流体力学建立了数值模型，该模型模拟了 2024与 7075异种 FSW 过程中材料流动场，结果表明：增加搅拌头转速和轴肩直径，材料流动更加剧烈；随焊接速度的降低，NZ 材料流动变得缓慢。Ji 等8用 ANSYS FLUENT 软件，模拟搅拌头轴肩几何形状和搅拌针螺纹对 2014 铝合金材料流动的影响规律，表明减小搅拌针锥度和螺纹槽宽度的尺寸，可增加搅拌针周围材料的流动速度。Zhu 等9建立了数值模型，模拟了 2024 铝合金在FSW 过程中的材料流动行为，结果表明搅拌针后部和底部区域的摩擦力较小而导致材料流动速度明显下降。李继忠10等采用 Deform-3D 三维有限元软件，模拟了 2024 铝合金在 FSW 过程中材料的塑性变形过程，结果表明接头后退侧材料流动强度显著高于前进侧，文献9-10均通过后续实验验证了该数值模型的可靠性。FSW 过程本身较为复杂，通过实验观察不能完整的呈现出材料的流动特性，而数值模拟也处于发展阶段，不同的数值模拟有不同的适用范围，并且其需要大量可靠的基础数据支撑。目前，对 FSW 过程中材料的流动行为有待更为深入全面的分析与探讨。1.2接头组织特征在 FSW 过程中，高强铝合金接头各区域经历了不同程度的热输入和塑性变形，导致接头各区域的组织特征存在明显差异，体现在“S”线、“洋葱环”结构、晶粒尺寸形貌和沉淀相的溶解与粗化等方面。1.2.1“S”线铝合金 FSW 对接接头的 NZ 在金相腐蚀后常会出现一条“S”型的线，称为“S”线。Sato 等11-12观察到铝合金接头底部的“S”线由来源于板材表面的高密度 Al2O3颗粒组成（见图 1）。Ren 和 Hu 等13-14发现，在焊接态接头中“S”线消失或不明显，也不影响接头的拉伸断裂行为，但经焊后 T6 热处理后接头 NZ 根部出现明显的“S”线，并且“S”线周围出现微孔，导致接头沿“S”线断裂，降低了接头的拉伸强度和塑性。另外，研究发现“S”线的分布形态与焊接工艺参数有关。大多数研究表明11-15，增加转速或降低焊接速度（增加热输入）会导致“S”线的分布更加分散不易观察，降低转速或增加焊接速度（降低热输入）会降低“S”线分散的程度，“S”线变得更加完整。与大多数研究规律不同的是，Zhang等16对 7N01铝合金的 FSW 接头“S”线分布进行观察，结果表明相同转速下低焊速的接头易形成清晰连续的“S”线，而高焊速的接头“S”线分散断续是氧化物碎片再分布的结果。1.2.2晶粒形貌铝合金 FSW 接头晶粒组织与熔焊接头明显不同（见图 2）17。无论母材（Base metal，BM）为轧制或铸态组织，NZ均发生连续动态再结晶形成等轴细晶 组 织；热 机 械 影 响 区（Thermo-mechanically affected zone，TMAZ）则为混有少量细晶的细长变形晶粒，而热影响区（Heat affected zone，HAZ）晶粒无塑性变形发生，只发生轻微粗化。FSW 接头晶粒组织演变经历了动态回复、位错增值、晶粒形核、晶粒长大四个阶段18，Zhang 等19发现 FSW 6082T6接头 NZ 因为发生了“几何动态再结晶”而形成了层片状结构，随后长条状晶粒内位错发生塞积与重组，发生“连续动态再结晶”，最终晶粒整体呈“项链状”排列。另外，在 NZ 区中经常可观察到一种“同心圆”形状的“洋葱环”结构，Fonda和 Monajati等20-21认为“洋葱环”的形成是搅拌头驱使材料周期性旋转而形成的，“洋葱环”腐蚀后呈明暗带交替状，暗带相比于明 带 具 有 高 比 例 的 高 角 晶 界，同 时 是 沉 淀 相 富集区。图 1铝合金 FSW 接头“S”线分布12Figure 1“S”line in FSW joint80第 17 卷 第 1 期马俊雅等：航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展1.2.3第二相分布FSW 热输入和材料流动不均匀，导致接头各区的第二相存在明显的差异。高强铝合金基体中存在两种尺寸差异明显的第二相，分别为微米级的第二相和纳米级的沉淀相。对于微米级的第二相，孟遥等22在 FSW 7085接头发现，与 BM 相比 NZ 第二相的数量减少，NZ底部第二相细小且呈弥散分布。Zhang等6发现，在2024-T351铝合金 FSW 过程中，周期性材料流动导致微米级颗粒相溶解后在晶界有规律析出，在 NZ的上部形成大量线状第二相偏析。康举等23在FSW2219-T8接头中也发现了少量类似的线状第二相偏析。对 于 纳 米 级 别 的 沉 淀 相，Chen 等24对 FSW 2219-T6接头各区经历的峰值温度与沉淀相进行研究，发现：NZ的峰值温度在 450 以上，高温使原始BM 中的沉淀相（Al2Cu相）溶解；TMAZ的峰值温度约为 400450，Al2Cu 相大部分溶解，少量粗化；HAZ范围较宽，峰值温度约为 200400，在 200300 温度区间不足以使 Al2Cu 相溶解，仅使其粗化，而在 300400 温度区间则导致 Al2Cu 相溶解或者粗化。1.3接头力学性能高强铝合金 FSW 接头的不均匀组织导致各区的力学性能也不均匀25。一般来说，高强铝合金FSW 接头的硬度分布呈“W”形分布26（见图 3），通常接头的前进侧和后退侧存在一个低硬度区（Low hardness zone，LHZ）27-29。Liu 等30提出的热源区等温溶解模型，指出焊接过程中接头的 LHZ经历了类似的峰值温度为 360370 的热循环，沉淀相的粗化程度取决于停留在过时效温度以上的时间，改变转速和焊接工具尺寸对这一热循环影响不大，只会改变 LHZ 的位置，从而合理解释了 LHZ 的硬度随工艺参数的变化规律。Zhang和 Jones等31-32发现，FSW 2024-T351 接头的硬度分布比较复杂，NZ两侧各包含两个 LHZ（命名为 LHZ I和 LHZ II），结果表明：两者组织特点和演变机制均不同，靠近 NZ的 LHZ I 发生过时效，在焊后长期放置过程中其硬度值保持不变；远离 NZ 的 LHZ II 发生了回归再时效，在焊后长期放置后 Cu-Mg、Cu-Cu、Mg-Mg 团簇密度增加，硬度缓慢回复。通常，高强铝合金 FSW 接头的抗拉强度随焊接速度的增加而增加，其不随转速的变化而变化，接头拉伸过程中沿 LHZ断裂，LHZ决定了接头的力学性能和断裂行为33-35。值得注意的是，少数铝合金FSW 接头会发生拉伸时不断在 LHZ 的“异常断裂”现象6，36。Zhang 等6发现 FSW 2024-T351 接头中的第二相线状偏析弱化了 SDZ 局部的力学性能，导图 3FSW 接头显微硬度分布图26Figure 3Micro hardness profile of the FSW joints图 2母材及焊接接头各区域的 EBSD图17Figure 2EBSD maps of base metal and each area of welded joint812 0 2 3材料研究与应用致接头发生“异常断裂”。杨超等36认为，发生异常断裂的原因是因为焊速过快、材料未完成周期性流动导致 NZ 形成“弱结合”状态，最终在拉伸过程中发生异常断裂。2新型搅拌摩擦焊传统 FSW 研究较为成熟，已成功应用于铝合金焊接。但其也存在许多不足：接头底部易出现未焊合缺陷，降低接头力学性能；装夹工艺复杂，对设备刚度要求较高；接头厚度减薄。针对传统 FSW 技术的不足，国内外学者提出了