趙麗敏， 張琳琳

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

Zn-xAl中間層對鎂/鋼接頭組織和性能的影響

趙麗敏， 張琳琳

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

通過添加不同Al含量的Zn-xAl(x=0，3，5，8，15)中間層，進(jìn)行鎂與鋼的接觸反應(yīng)釬焊.采用掃描電鏡、X射線衍射儀、電子萬能拉伸試驗機等測試手段，對比分析AZ31/Zn-xAl/DC01接頭的組織特征及力學(xué)性能.結(jié)果表明，Al元素的添加使中間層中生成Fe2Al5化合物過渡層，有效阻止了Fe-Zn金屬間化合物的形成.接頭斷裂位置由Fe-Zn金屬間化合物層變?yōu)镸g-Zn金屬間化合物區(qū).隨著Al含量的增加，接頭剪切強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)Al含量為5wt.%時，接頭剪切強度最高.

中間層;鎂/鋼異種金屬;彌散強化

0 引言

近年來，輕量化、節(jié)能化、綠色環(huán)?；蔀楝F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)先考慮的因素.鎂合金是具有低密度、高比強度、高阻尼減震性、易回收等優(yōu)點的綠色材料，鋼是應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料.鎂/鋼異種金屬的焊接可以滿足多種復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接要求，在航空航天、高速列車等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[1].由于鎂/鋼在熔、沸點等物理性質(zhì)和晶格類型上存在巨大差異，兩者幾乎不存在冶金反應(yīng)，使得傳統(tǒng)焊接方法很難實現(xiàn)兩者的連接[2].目前國內(nèi)外焊接鎂/鋼主要方法有攪拌摩擦焊[3]、熔-釬焊[4- 7]、電阻點焊[8]等，其中大多借助中間層或焊接材料等實現(xiàn)連接，因此中間層的選取與設(shè)計尤為重要.

純鋅是鎂/鋼異種金屬連接中常用中間層材料，但研究發(fā)現(xiàn)硬脆的Fe-Zn金屬間化合物成為接頭的薄弱區(qū)域，因此改善接頭組織及形貌才能進(jìn)一步提高連接強度.文中通過向鋅中間層中添加不同含量鋁元素，分析鋁元素的加入及含量的多少對接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對接頭失效機制進(jìn)行了討論.

1 試驗方法

試驗選用尺寸為60 mm×10 mm，厚度分別為3.0 mm和1.0 mm的AZ31B鎂合金和DC01鋼板材為研究對象，化學(xué)成分如表1和2所示.實驗所用Zn-xAl(x=0，3，5，8，15wt.%)中間層通過熱浸鍍的方法浸鍍于鋼板上，浸鍍時間約為60～90 s, 鍍層厚度約為100 μm.由于鍍液成分不同，采用的熱浸鍍工藝參數(shù)不同.其中，共晶Zn- 5Al鍍液浸鍍溫度約為390℃(略高于鋅鋁共晶溫度382℃)；亞共晶Zn- 3Al鍍液浸鍍溫度約為420℃；過共晶Zn- 8Al鍍液和過共晶Zn- 15Al鍍液浸鍍溫度分別約為430、480℃.

表1 AZ31B鎂合金化學(xué)成分 %

表2 DC01鋼合金化學(xué)成分 %

將待連接表面用砂紙打磨，中間層經(jīng)打磨后厚度約為40～60 μm.采用如圖1所示的搭接結(jié)構(gòu)，并用夾具夾緊試件，搭接面積為10 mm×10 mm；同時在搭接界面處固定熱電偶，以便準(zhǔn)確控溫.焊接過程在電阻加熱爐中進(jìn)行，爐溫升至550℃時放入待焊接頭，并通入氬氣保護.連接溫度(365±2)℃，平均加熱速度100℃/min，接頭壓力約5 MPa，保溫時間10 s.當(dāng)試件焊好后，迅速取出水冷.

圖1 接頭裝配方法示意圖

對不同中間層及焊接接頭進(jìn)行取樣并制成金相樣品，采用5%的苦味酸進(jìn)行腐蝕.利用SUPRA 55場發(fā)射電子顯微鏡對中間層及接頭微觀組織進(jìn)行觀察，并用自帶能譜儀分析其中各組成元素的分布情況；采用AG- IC100KN電子萬能試驗機測試接頭剪切強度，拉伸速度為1 mm/min；用Empyrean X-射線衍射儀對接頭斷口進(jìn)行相成分分析.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 Zn-xAl中間層的組織形貌分析

圖2為Zn-xAl中間層的微觀組織形貌，圖中各位置EDS成分分析如表3所示.從圖2(a)中可以看出，純鋅中間層由外部層和過渡層兩部分組成.外部層為純鋅層(Ⅰ區(qū))，過渡層由表及里主要由ζ相(Ⅱ區(qū))、棒狀的δ相(Ⅲ區(qū))、Γ1相(Ⅳ區(qū))和Fe(Zn)固溶體(Ⅴ區(qū))構(gòu)成.從圖2(b)，(c)，(d)，(e)中可以看出，不同鋁含量的中間層均由過渡層和外部層兩部分組成.Al元素的加入使中間層中緊鄰鋼基體處生成了厚度約幾百個納米的過渡層，經(jīng)能譜分析可知，此過渡層為Fe2Al5化合物.同時，中間層的外部層中沒有檢測到Fe-Zn相，這說明Al比Zn更易于結(jié)合；外部層僅是由不同成分鍍液冷凝后所形成的.Zn- 8Al與Zn- 15Al外部層由鋅鋁共晶組織和粗大的鋁先析出枝晶相(圖中2位置所示)組成.對比圖2(d)與(e)可以看出，隨著鋁含量的增加，鋁基固溶體先析出相尺寸增大.

(a) 純Zn

(b) Zn- 3Al

(d) Zn- 8Al

(e) Zn- 15Al

位置ZnAlFe相Ⅰ100.00//ZnⅡ93.20/6.80ζ(FeZn13,FeZn15)Ⅲ88.48/11.52δ(FeZn10,FeZn7)Ⅳ81.92/18.08Γ1(FeZn4,Fe5Zn21或Fe11Zn40)Ⅴ1.58/98.42α-Fe過渡層7.1465.6527.21Fe2Al5197.342.66/鋅基固溶體227.4472.56/鋁基固溶體

2.2 接頭微觀組織形貌分析

對鍍有上述中間層的DC01鋼與AZ31B鎂合金進(jìn)行接觸反應(yīng)釬焊.圖3為接頭微觀組織形貌，圖中各位置EDS成分分析如表4所示.從圖3(a)中可以看出，使用純鋅中間層的接頭組織分為三個部分：靠近鎂基體側(cè)的Mg-Zn共晶組織和胞狀α-Mg先析出相(Ⅰ區(qū))，細(xì)碎的Mg-Zn-Al-Fe四元金屬間化合物(Ⅱ區(qū))和緊鄰鋼基體的Γ1相(Ⅲ區(qū)).從圖3(b)，(c)，(d)，(e)中可以看出，使用含鋁中間層的接頭組織均由層片狀Mg-Zn共晶組織(A區(qū))、短小的MgZn柱狀晶(B區(qū))、復(fù)合結(jié)構(gòu)(C區(qū))和Fe2Al5過渡層(D區(qū))四部分構(gòu)成.其中，接頭最主要區(qū)別在于C區(qū)，即MgZn2(圖中4位置所示)與鋁基固溶體相(圖中3位置所示)構(gòu)成的復(fù)相區(qū).如圖3(c)中C區(qū)高倍放大圖所示，共晶Zn- 5Al接頭C區(qū)中鋁基固溶體大小均勻，彌散分布在MgZn2晶間，對脆性相MgZn2起強韌化作用.由于中間層的外部層組織不同，亞共晶Zn- 3Al和過共晶Zn- 8Al、Zn- 15Al接頭C區(qū)中除了一部分細(xì)小的鋁基固溶體顆粒分布在MgZn2基底外，都保留了原中間層中的鋅先析出相(圖中2位置所示)和鋁先析出相(圖中6位置所示).尤其是粗大的鋁基固溶體先析出相邊緣發(fā)生一定熔蝕，并在共晶液相及重力的作用下發(fā)生堆積，在接頭連接過程中對液相流動起了嚴(yán)重的阻礙作用，形成了明顯的孔洞.隨著鋁元素的增加Zn- 8Al、Zn- 15Al接頭A區(qū)Mg-Zn共晶組織中出現(xiàn)了如圖3(d)高倍放大圖所示的Mg-Zn-Al三元化合物顆粒；鋁含量越多，顆粒越多.

(d) Zn- 8Al

(e) Zn- 15Al

位置MgZnAlFe相Ⅰ67.8229.372.81/Mg-Zn共晶相Ⅱ52.5937.893.675.76Mg-Zn-Al-Fe四元化合物Ⅲ3.1278.23/18.65Γ1相A64.5433.897.57/Mg-Zn共晶相B57.2132.748.171.58MgZnD/9.9563.3126.74Fe2Al5191.433.005.57/α-Mg21.2789.399.34/Zn基固溶體31.2135.3163.48/Al基固溶體432.2463.793.850.12MgZn2526.5361.6811.79/Mg-Zn-Al三元化合物61.2330.9267.85/Al基固溶體

2.3 接頭斷裂分析

將AZ31B/Zn-xAl/DC01接頭進(jìn)行拉剪實驗，接頭剪切強度如圖4所示.隨著鋁含量的增加，接頭剪切強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢.其中，采用純鋅作中間層的接頭剪切強度最低，為45.2 MPa；而通過在中間層中填加不同含量的Al元素，接頭強度均有不同程度提高，當(dāng)中間層為Zn- 5Al時接頭剪切強度最高，為77.4 MPa.

圖4 AZ31B/Zn-xAl/DC01接頭剪切強度

接頭斷口經(jīng)XRD相成分分析發(fā)現(xiàn)，如圖5(a)所示，AZ31B/Zn/DC01接頭斷口兩側(cè)均存在Fe11Zn40，說明接頭斷裂在Γ1相層，該相的存在成為接頭脆弱的關(guān)鍵，但在純鋅中間層中Γ1金屬間化合物相的出現(xiàn)又是不可避免的[9]；當(dāng)中間層中填加鋁元素后，如圖5(b)～5(e)所示，接頭斷口兩側(cè)相成分中均包含MgZn2和Al0.403Zn0.597，說明接頭斷裂均發(fā)生在MgZn2和鋁基固溶體顆粒相構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)C區(qū).使用含鋁中間層的接頭斷裂位置相同，但接頭剪切強度卻有很大差異，這主要是不同Al含量使得C區(qū)各相的含量，尺寸大小及分布狀態(tài)不同：Zn- 5Al接頭中C區(qū)較軟的鋁基固溶體顆粒大小均勻，彌散分布在硬脆的MgZn2晶間，大大增加C區(qū)塑性，提高了接頭的力學(xué)性能.而使用其它Al含量中間層均會在接頭C區(qū)形成尺寸較大的先析出相，不能形成結(jié)構(gòu)合理的硬夾軟結(jié)構(gòu)，降低了接頭性能.

(e) AZ31B/Zn- 15Al/DC01

3 結(jié)論

(1)純鋅中間層中鋁元素的加入能夠有效阻止Fe-Zn金屬間化合物的形成，并生成性能優(yōu)于Fe11Zn40的Fe2Al5過渡層.接頭斷裂發(fā)生在鋁基固溶體顆粒與MgZn2金屬間化合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)區(qū)，薄弱部位由Mg-Zn相替代了Fe-Zn相；

(2)中間層中鋁含量的多少會改變接頭微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響接頭力學(xué)性能.當(dāng)鋁含量為5wt.%時，接頭C區(qū)中鋁基固溶體顆粒的大小均勻，分布彌散，很好的強化了硬脆的MgZn2相，能夠提供更加合理的硬夾軟結(jié)構(gòu)，因而Zn- 5Al接頭剪切強度最高.

[1]CAMPBELL F C.Manufacturing technology for aerospace structural materials[M].1st ed，UK:Elsevier Ltd,2006.

[2]LIN S P,NIE Z R,HUANG H.Thermodynamic calculation of Er-X and Al-Er-X compounds exist in Al-Mg-Mn-Zr-Eralloy[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2010,20:682- 687.

[3]YANNI WI,JINGLONG LI,JIANGTAO XIONG.Microstructures and mechanical properties of magnesium alloy and stainless steel weld-joint made by friction stir lap welding[J].Materials and Design,2012,33:11- 114.

[4]WANG XIAOYONG,SUN DAQIAN,YIN SHIQIANG,et al.Microstructures and mechanical properties of metal inter-gas arc welded Mg-steel dissimilar joins[J].ScienceDirect,2014,25:2533- 2542.

[5]宋剛,胡廣龍,任大鑫,等.鎂/鋼填鎳夾層激光—電弧復(fù)合對接熔化焊特性[J].焊接學(xué)報,2015,36(1):43- 46.

[6]WAHBA M,KATAYAMA S.Laser welding of AZ31B magnesium alloy to Zn-coated steel[J].Materials and Design,2012,35:701- 706.

[7]曹睿,余建永,陳劍紅，等.鎂/鍍鋅鋼板CMT熔釬焊連接機制分析[J].焊接學(xué)報,2013,34(9):21- 24.

[8]PENNER P,LIU L,GERLICH A.Dissimilar Resistance Spot Welding of Aluminum to Magnesium with Zn-Coated Steel Interlayers[J].Welding Journal,2014,93:225- 231.

[9]邵大偉,賀志榮,張永宏，等.鋼材熱浸鍍鋅層的相結(jié)構(gòu)及其形成機制[J].材料熱處理技術(shù),2012,41(20):122- 125.

Effect of Zn-xAl Interlayer on Microstructure and Mechanical Properties of Mg/Steel Joint

ZHAO Limin,ZHANG Linlin

(School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The joint of magnesium and steel was realized by contact reaction brazing with Zn-xAl interlayer containing different Al contents.The structure characteristics and mechanical properties of the AZ31/Zn-xAl/DC01 joints were comparatively analyzed by scanning electron microscopy,X-ray diffractionn and electronic universal testing machine.It is found that adding Al element can effectively prevent the formation of Fe-Zn intermetallic compounds in the interlayer,where Fe2Al5compound transition layer is produced.The weak position of the joint is Mg-Zn intermetallic compound zone instead of Fe-Zn intermetallic compound layer.Al content has an important influence on the joint shear strength.When Al content is 5wt.%,the joint shear strength is the highest.The fracture of the joint occurs in the composite structure zone,where soft Al-rich phase particles are dispersed in MgZn2intermetallic compounds.

interlayer;magnesium/steel dissimilar metals;dispersion strengthening

1673- 9590(2017)05- 0079- 06

A

2016- 12- 17

國家自然科學(xué)基金資助項目(51104027)；博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20112124120004)

趙麗敏(1972-)，女，副教授，博士，主要從事異種金屬焊接領(lǐng)域的研究 E-mail:zlm_72@163.com.