賈夢超，趙麗敏，鄧杰

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)①

當(dāng)今社會，環(huán)境污染、能源緊缺等問題日益加劇，而結(jié)構(gòu)材料的輕量化則能夠減少能源消耗，降低污染排放，因此輕量化結(jié)構(gòu)材料在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景[1-3].鎂/鋼異種金屬的連接結(jié)構(gòu)可以將兩種單一金屬的優(yōu)良性能綜合起來，但是鎂與鋼的物化性質(zhì)差異很大，二者既不固溶，也不能發(fā)生冶金反應(yīng)，因此直接進(jìn)行焊接十分困難[4-5].目前，與鎂/鋼焊接相關(guān)的焊接方法主要有攪拌摩擦焊、點焊[6]、擴(kuò)散焊[7]、激光復(fù)合焊[8]、釬焊[9]等.其中接觸反應(yīng)釬焊是一種特殊的焊接技術(shù)，它是依靠接觸的母材之間或母材與中間層之間的冶金反應(yīng)產(chǎn)生液相來實現(xiàn)連接的焊接工藝[10].本文選用Zn-15Al-xLa釬料作為中間層進(jìn)行鎂/鋼異種金屬的接觸反應(yīng)釬焊，并分析加入稀土La含量的多少對接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響.

1 實驗方法

本實驗選用DC01鋼與AZ31B鎂合金作為母材，進(jìn)行兩種金屬的接觸反應(yīng)釬焊.DC01鋼的化學(xué)成分(wt%)如下：C為0.10 %，Mn為0.50%，S小于等于0.035%，P小于等于0.035%，余量為Fe；AZ31B鎂合金化學(xué)成分(wt%)如下：Al為2.5%～3.5%,Zn為0.5%～1.5%，Mn為0.2%～0.5%，Si為0.1，Ca為0.04，Cu為0.05，F(xiàn)e為0.005，Ni為0.005，余量Mg.

其中DC01鋼板的厚度是2.0 mm，AZ31B鎂合金板的厚度是3.0 mm.焊接之前將兩種板材分別加工成8 mm×70 mm×2.0 mm以及 8 mm×70 mm×3.0 mm兩種尺寸以備使用.

實驗采用熱浸鍍工藝將Zn-15Al-xLa(x=0,0.05,0.1,0.2wt%)中間層鍍在DC01鋼試件表面，浸鍍時間60 s，浸鍍溫度約為500℃.然后用SiC砂紙將AZ31鎂合金試件與Zn-15Al-xLa中間層試件的表面打磨至1 500#，然后用酒精清洗備用.鎂合金和鋼試件采用搭接的焊接方式，如圖1所示.

圖1 AZ31B/中間層/DC01試件裝配圖

為了使試件待焊面緊密接觸，使用夾具將帶有中間層的DC01鋼試件與AZ31B鎂合金試件夾緊，并在搭接界面處固定熱電偶，用以準(zhǔn)確測量焊接溫度.將裝配好的試件放入預(yù)先設(shè)定好溫度的電阻爐中進(jìn)行加熱，過程中向爐中通入高純度的氬氣進(jìn)行保護(hù).最佳焊接工藝參數(shù)為：連接溫度(395±2)℃，平均加熱速度100℃/min.等到接頭的搭接界面周圍出現(xiàn)均勻的小液滴以后，取出接頭并放入水中冷卻.

選用240～1 500#的SiC砂紙將鍍有中間層的DC01鋼試件與接頭試件打磨平整；然后選用金剛石拋光劑對試件進(jìn)行拋光；之后選用成分5%的苦味酸試劑(苦味酸5 g，醋酸5 mL，水10 mL，乙醇100 mL)對試件進(jìn)行腐蝕，30s后清水沖洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干.使用徠卡倒置顯微鏡觀察中間層和接頭的微觀組織，用SUPRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡自帶的能譜分析儀對中間層和接頭的成分進(jìn)行分析；用Empyrean X-射線衍射儀對接頭兩側(cè)斷口進(jìn)行相成分分析.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Zn-15Al-xLa中間層微觀組織形貌分析

圖2為DC01鋼試件表面熱浸鍍Zn-15Al-xLa中間層的微觀組織形貌.從圖2中可以看出，中間層由過渡層和外部層兩部分構(gòu)成.經(jīng)EDS點成分分析，過渡層中含有Zn、Al、Fe三種元素，其中Zn元素含量很少，Al元素和Fe元素含量較多，Al元素和Fe元素的原子比接近5∶2，因此判斷過渡層的成分為Fe2Al5化合物，與過渡層Fe2Al5相鄰的外部層是由Zn-15Al鍍液凝固而形成的.根據(jù)Al-Zn二元合金相圖可知，在鍍液緩慢冷卻的過程中，會先析出鋁基固溶體(圖中箭頭1所示)；剩余的液相在共晶溫度時會發(fā)生共晶反應(yīng)，形成鋁基固溶體(圖中箭頭2所示)和鋅基固溶體(圖中箭頭3所示)組成的共晶組織.當(dāng)向Zn-15Al中間層中加入 0.05%La時，粗大的樹枝狀鋁基先析出相的尺寸減小，球狀先析出相增多， 從而細(xì)化了中間層的顯微組織.當(dāng)向Zn-15Al中間層中加入 0.1%La時，中間層中有新相產(chǎn)生(圖中箭頭4所示)，經(jīng)EDS成分分析可知，該新相含有59.53at%的Zn，32.79at%的Al，7.68at%的La， 因此可判斷該新 相 為 Zn-Al-La 三元化合物.當(dāng)向Zn-15Al中間層中加入 La的含量逐步增加至0.2%時，中間層中粗大的樹枝晶又成片出現(xiàn)，此時La對中間層顯微組織的細(xì)化作減弱，且Zn-Al-La三元化合物的數(shù)量增多.

圖2 Zn-15Al-xLa中間層微觀組織

2.2 接頭微觀組織形貌分析

圖3為AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭的微觀組織形貌.表3為圖3各個位置的EDS成分分析結(jié)果.焊接接頭從鋼側(cè)到鎂側(cè)的區(qū)域依次為：鋼基體、中間層與鋼的反應(yīng)區(qū)、殘余中間層、中間層與鎂的反應(yīng)區(qū)、鎂基體.接頭大部分組織為殘余中間層.經(jīng)EDS點成分分析可知，殘余中間層主要由鋁基先析出相和鋅鋁共晶組織組成.中間層與鋼的反應(yīng)區(qū)為Fe2Al5化合物.中間層與鎂的反應(yīng)區(qū)主要由Mg-Zn共晶組織和Mg-Zn-Al三元化合物組成，這是由于鋁基固溶體中的Al元素在焊接過程中不斷向鎂側(cè)擴(kuò)散，因此Al元素與Mg元素和Zn元素結(jié)合形成Mg-Zn-Al三元化合物.當(dāng)加入0.05 %的La時，殘余中間層中的樹枝狀鋁基先析出相尺寸減小，球狀先析出相增多，殘余中間層的顯微組織得到了細(xì)化.當(dāng)加入0.1%的La時，接頭中發(fā)現(xiàn)有新相Zn-Al-La三元化合物產(chǎn)生，當(dāng)加入La的含量達(dá)到0.2%時，樹枝狀的鋁基先析出相數(shù)目增多，尺寸變大，La對中間層殘余組織的細(xì)化作用減弱，同時接頭中Zn-Al-La三元化合物的尺寸增大，數(shù)量增加.

圖3 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭的微觀組織形貌

表3 圖3中各位置EDS分析結(jié)果 at%

2.3 接頭力學(xué)性能及斷口分析

對AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測定，接頭的剪切強(qiáng)度如圖4所示.從圖4中可以看出，接頭的剪切強(qiáng)度隨著中間層中稀土La含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.其中，當(dāng)加入0.05 %La時，接頭達(dá)到最大剪切強(qiáng)度，為70 MPa.

圖4 AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭剪切強(qiáng)度

圖5為AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭斷口的XRD衍射圖譜.經(jīng)XRD相成分分析可知，接頭斷口兩側(cè)均能檢測到Al0.403Zn0.597、MgZn2，說明AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭斷裂發(fā)生Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相區(qū).由上述斷口分析可知，中間層中加入適量的La能夠細(xì)化中間層的顯微組織，進(jìn)而增加接頭強(qiáng)度；但是當(dāng)La加入過量時，接頭中會出現(xiàn)大量Zn-Al-La三元化合物，從而對接頭微觀組織產(chǎn)生割裂作用，反而降低了接頭強(qiáng)度.

(a)x=0接頭鋼側(cè)

3 結(jié)論

(1)AZ31B/Zn-15Al-xLa/DC01接頭由鎂基體、中間層與鎂的反應(yīng)區(qū)、殘余中間層、中間層與鋼的反應(yīng)區(qū)、鋼基體組成.對接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測定后，發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂位置主要發(fā)生在Al0.403Zn0.597和MgZn2的混合相區(qū).當(dāng)La的含量為0.05%時，接頭達(dá)到最大剪切強(qiáng)度為70 MPa；

(2)當(dāng)中間層中加入適量的稀土La時，由于La在Zn和Al中的固溶度很小，因此在凝固過程中，稀土La將會沿固液界面富集，從而抑制鋁基先析出相的增大，使粗大的樹枝狀鋁基先析出相減少，球狀的鋁基先析出相增多.但是當(dāng)La加入含量過高時，固液界面前沿的La會與Zn和Al形成Zn-Al-La三元化合物而析出，從而使其對微觀組織的細(xì)化作用減弱.