羅國強，尹 凱，王儀宇

(武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室，湖北 武漢430070)

0 引 言

鎂合金作為一種新型的工程結構材料越來越引起了社會各界的廣泛關注，因其具有比強度高、剛度大、抗沖擊性能好、抗震性好、熱容量低、冷凝速度快、良好的機械加工性能等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛地應用于汽車制造、航空航天、民用電子產(chǎn)品等領域.鋁是地殼中含量最高的金屬元素，鋁合金是目前使用最廣的金屬結構材料之一.鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，同時其塑性好，能夠加工成各種型材，具有良好的導電性、導熱性和抗蝕性等特點[1-2].如果實現(xiàn)鎂合金與鋁合金異種金屬的焊接并形成可靠的焊接結構件，不僅能充分發(fā)揮鎂合金、鋁合金各自的優(yōu)異性能，還能夠大大拓展其在高科技領域，特別是在航空航天方面的應用，所以實現(xiàn)鎂鋁異種金屬的焊接具有非常深遠的現(xiàn)實意義[3-4].

然而鎂鋁異種金屬因其物理化學性質(zhì)的差異利用一般的焊接方法要實現(xiàn)其可靠連接十分困難，兩種金屬直接焊接主要存在的問題是：a. 鎂、鋁的活性很高，容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應在表面形成一層氧化物膜，氧化物膜的存在不利于母材原子的相互擴散，導致焊接工藝難以控制；b. 鎂與鋁易相互反應，焊接接頭界面區(qū)域生成大量高硬度脆性金屬間化合物并出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導致焊接接頭強度不高[5-6].

目前，對利用中間層對鎂鋁進行擴散焊接的研究已有報道[7-8]，但尚不深入.磁控濺射鍍膜是添加焊接中間層的一種切實可行的方法，薄膜的沉積一方面能減小焊接母材的表面粗糙度促進母材焊接面的充分接觸，另一方面能夠針對不同焊接體系實現(xiàn)多層復合中間層的添加，同時因其自身特點而具有非常獨特的應用前景.本文中利用磁控濺射鍍膜技術在焊接母材鎂合金表面沉積一層致密度高、結晶性好，厚度均勻Cu薄膜，將Cu作為中間層實現(xiàn)了對鎂/鋁的真空低溫擴散焊接，并對焊接接頭界面區(qū)域的顯微結構及組織、元素分布、斷口相組成等進行了研究.

1 試驗材料及測試方法

試驗材料采用變形鎂合金(牌號MB2)和硬鋁合金(牌號LY12)，試樣尺寸為直徑29 mm、厚2 mm的圓薄片.焊接母材采用PFG500DXAL超精密平面磨床(日本岡本工作機械制作社)將鎂合金和鋁合金加工成圓薄片，用1000#、1200#SiC砂紙和05、06、07號金相砂紙打磨圓薄片的待焊接面，并用MA-200高精密拋光機(日本 New Metals and Chemicals Corporation, Ltd)拋光，然后用丙酮、酒精依次超聲清洗.

采用高純Cu靶(99.99%,質(zhì)量分數(shù))，利用沈陽世昂真空技術有限公司的SACJSS-500型超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)在MB2鎂合金基體表面沉積Cu薄膜.濺射工藝襯底溫度為80～200 ℃，升溫速率為5～15 ℃，濺射功率為80～150 W，氬氣氣壓為0.5～1.5 Pa，Cu薄膜厚度約為2 μm.

將表面覆有Cu薄膜的MB2鎂合金基片與LY12鋁合金基片以對接形式用磨具裝配置于ZRY-50型真空擴散爐控制焊接工藝參數(shù)進行真空擴散焊接.擴散焊接工藝制度：焊接溫度為430～460 ℃，保溫時間為90 min，焊接壓力為3 MPa，真空度在1×10-3Pa以上.典型的MB2/LY12擴散焊工藝曲線見圖1所示.

圖1 典型的MB2/LY12擴散焊工藝曲線Fig.1 Typical technology parameters for diffusion welding of MB2/LY12

采用KSI WINSAM-5.2超聲波掃描顯微鏡對焊接試樣連接情況進行超聲波無損檢測；采用日本Rigaku公司的D/MAX-Ⅲ型X射線衍射(X-Ray Diffraction, XRD)儀對焊接件斷口的進行物相分析；采用電子探針(Electron Probe Micro Analyzer，EPMA，JXA-8100)表征焊接接頭界面元素濃度分布；利用日本Hitachi公司的S-3400型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)對薄膜的表面及焊接件斷口形貌進行觀察.

2 結果與討論

2.1 Cu薄膜的表征

圖2 為MB2基片上沉積的Cu薄膜XRD圖譜.由圖2可以明顯看出，在拋光的MB2基體上沉積的Cu薄膜主要沿(111)、(200)晶向上生長.

利用SEM對沉積的Cu薄膜進行表面形貌分析(如圖3所示)，薄膜表面出現(xiàn)拋光后的細小劃痕，有少量Cu原子團聚的現(xiàn)象，但薄膜表面整體較為平整，致密度較高.

圖2 MB2基片上沉積Cu薄膜XRD圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of Cu film deposited on MB2 substrate

圖3 MB2基體上沉積的Cu薄膜SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photo of Cu film deposited on MB2 substrate

2.2 MB2/LY12焊接接頭無損檢測

利用超聲波無損檢測技術對不同焊接溫度下制備的MB2/LY12焊接接頭進行了檢測，檢測結果詳見圖4和表1.當焊接溫度較低時(430 ℃、440 ℃)，由于溫度較低，母材原子的擴散能力較弱，母材接觸不充分，焊接過程幾乎沒有發(fā)生，在C-掃描照片中表現(xiàn)為圖4(a)整體白色較亮的區(qū)域.隨著焊接溫度的升高(445 ℃、450 ℃)，焊接母材塑性變形能力增強，界面形成良好的微觀接觸，有效接觸面積增大，原子之間發(fā)生一定的相互擴散，生成部分金屬間化合物，圖4(b)、圖4(c)中表現(xiàn)為明暗相間的區(qū)域.焊接溫度較高(455 ℃)時，原子互擴散速率急劇增加，生成金屬間化合物，發(fā)生再結晶等過程，圖4(d)中灰度已較為均勻.焊接溫度太高(>460 ℃)時，原子擴散劇烈，生成多種低共融物，導致溶出現(xiàn)象發(fā)生.以上分析表明，保溫時間及壓力保持不變的條件下，最佳焊接溫度應為455 ℃.

圖4 不同焊接溫度的MB2/LY12焊接接頭超聲波Fig.4 SAM photos of MB2/LY12 welding joints at different welding temperature

表1 不同焊接溫度制備的焊接接頭情況Table 1 Experimental design matrix and results

2.3 焊接接頭界面顯微結構表征

圖5為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭界面區(qū)域的EPMA分析.從圖5(a)可以看出，焊接接頭界面結合良好，生成多種層狀化合物，大致分為三層I、II、III.從圖5(b)接頭界面區(qū)元素線能譜可知，Mg、Al在接頭界面區(qū)與基體相比顯著下降，兩者含量保持相對穩(wěn)定，結合能譜和斷口物相可知該三層從左往右分別為Al3Mg2(I)、AlMg (II)、Al12Mg17(III)，其中AlMg(II)層厚度最大，其他兩層厚度相當.三層厚度總和約為70 m，較直接焊接的界面總厚度(85 m)要小.圖5(a)中Cu元素含量從LY12側到MB2側逐漸降低，在Al3Mg2層富集含量較高，而在其他兩場含量較少.原始界面靠近LY12側，說明鋁原子更多的擴散到中間層.MB2側黑色界面區(qū)為氧化反應發(fā)生的區(qū)域，氧化層的存在不利原子的擴散遷移.

圖5 455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭EPMA分析(455 ℃-90 min-3 MPa)Fig.5 EPMA analysis of MB2/LY12 welding joints welded at the temperature of 455 ℃(455 ℃-90 min-3 MPa)

2.4 焊接接頭物相及斷口形貌分析

圖6為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口的XRD圖譜.從圖6可以看到，MB2側和LY12側生成了Al3Mg2、AlMg、Al12Mg173種金屬間化合物以及少量CuMg2、Al2CuMg.兩側均生成了這幾種金屬間化合物說明斷裂發(fā)生在脆性金屬間化合物層，同時由于鎂鋁焊接接頭界面是分層的，說明斷裂并不是僅僅發(fā)生在某一層，而是同時發(fā)生在幾個金屬間化合物層.

圖7為455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口的SEM圖像.從圖7中可以觀察到，宏觀斷口的形貌呈現(xiàn)暗黃色，斷口周圍沒有明顯塑性變形，表面粗糙呈顆粒狀，仍表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂.從MB2側斷口SEM照片來看，斷口較為平坦，有沿層片斷裂特征，裂紋擴展區(qū)的斷裂主要為沿層斷裂和部分穿層斷裂，以及少量的解理斷裂.從LY12側斷口SEM照片來看，斷口存在大量解理斷裂和部分穿層斷裂，斷口有明顯的孔洞，這是由于鋁原子向鎂側擴散速率較鎂原子向鋁側擴散迅速而引起的科肯達爾效應，孔洞的存在不利于獲得高強度的焊接接頭，是裂紋易發(fā)生的區(qū)域.

圖7 455 ℃焊合的MB2/LY12焊接接頭斷口組織形貌圖Fig.7 Fracture appearances of MB2/LY12 welding joints welded at the temperature of 455 ℃

3 結 語

本文利用磁控濺射鍍膜技術在MB2鎂合金表面沉積Cu薄膜，在較低焊接溫度下實現(xiàn)了MB2鎂合金和LY12鋁合金的連接，并對接頭進行了組織物相分析，得到如下結論：

a. 利用磁控濺射鍍膜技術能夠在MB2鎂合金基體上沉積的Cu薄膜主要以(111)、(200)晶向上生長，薄膜表面平整、均勻、致密.

b. 在焊接工藝為：焊接溫度455 ℃、保溫時間90 min、壓力3 MPa，能夠實現(xiàn)MB2/LY12的可靠連接.

c. MB2/LY12焊接接頭界面區(qū)域出現(xiàn)分成結構，分別為Al3Mg2、AlMg、Al12Mg17三層.接頭斷口表現(xiàn)為明顯脆性斷裂特征，斷裂呈階梯狀發(fā)生在三層金屬間化合物層之間.

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