王珂 孫煥煥 梁子劍 劉易麟

摘要：陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種新興的工程應(yīng)用材料，在眾多工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在對(duì)陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接的過(guò)程中，使用綠色環(huán)保、安全可靠的攪拌摩擦焊接技術(shù)，可獲得力學(xué)性能良好的焊接接頭。文章從焊接接頭宏觀及微觀組織特點(diǎn)、接頭力學(xué)性能及斷裂特征、攪拌頭對(duì)焊接效果的影響3個(gè)方面綜述陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀，并從焊接材料種類(lèi)、焊接工藝穩(wěn)定性、高性能焊接工具開(kāi)發(fā)3個(gè)方面展望陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接研究未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：陶瓷顆粒；鋁基復(fù)合材料；攪拌摩擦焊接

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）03-0032-04

0 引言

鋁基復(fù)合材料與鋁合金相比是一種具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)的工程材料，尤其是陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，其力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)更為突出。近年來(lái)，陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展。目前，材料中的陶瓷顆粒增強(qiáng)相包括SiC、Al2O3、TiB2等，由于增強(qiáng)相的加入，該類(lèi)材料在連接過(guò)程中采用傳統(tǒng)焊接方法存在較多困難與問(wèn)題，使其在眾多工程領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了限制。因此，探索可靠、穩(wěn)定的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接方法已成為國(guó)內(nèi)廣大焊接科研工作者的研究熱點(diǎn)之一。

作為一種固相連接方法，攪拌摩擦焊接在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1］。近年來(lái)，我國(guó)科研工作者在開(kāi)發(fā)與材料特點(diǎn)相適應(yīng)的攪拌摩擦焊工藝、改進(jìn)攪拌頭形狀與尺寸、分析焊接區(qū)微觀組織與接頭性能的關(guān)系等方面做了大量細(xì)致的研究與分析，也取得了較大的進(jìn)展，很多工藝方法日趨成熟并逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。本文從接頭組織特點(diǎn)、接頭力學(xué)性能、攪拌頭的影響3個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析，并展望該類(lèi)材料攪拌摩擦焊接研究未來(lái)的發(fā)展方向。

1 接頭宏觀形貌及微觀組織特點(diǎn)

焊接接頭的宏觀形貌和微觀組織是評(píng)價(jià)陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

1.1 接頭宏觀形貌特征

陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊后，焊縫一般可分成4個(gè)區(qū)域：軸肩擠壓區(qū)（shoulderaffected zone，SAZ）、焊核區(qū)（weld nugget，NZ）、熱機(jī)影響區(qū)（thermo-mechanical affected zone，SMAZ）和熱影響區(qū)（heat-affected zone，HAZ）。

馮濤等人［2］研究SiCp/2024Al攪拌摩擦焊接接頭時(shí)發(fā)現(xiàn)，其焊核區(qū)為橢圓形，整個(gè)焊縫區(qū)域下面窄上面寬，呈 “V”字形，可區(qū)分出明顯的SAZ、SMAZ和HAZ（如圖1所示）。任益博［3］對(duì)原位自生TiB2/7050鋁基復(fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接，獲得的焊縫呈盆狀，其HAZ和SMAZ的邊界不明顯（如圖2所示）。

1.2 接頭微觀組織及顆粒特點(diǎn)

李敬勇等人［4］在進(jìn)行原位自生TiB2/A356鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊時(shí)，研究焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織，得到如下發(fā)現(xiàn)：①焊核區(qū)晶粒非常細(xì)小，焊縫中的Al-Si共晶相呈顆粒狀均勻地分布在鋁合金基體上。②攪拌摩擦焊時(shí)，軸肩與焊件表面發(fā)生摩擦，攪拌針與焊件之間發(fā)生摩擦，因此在焊接區(qū)產(chǎn)生大量的熱；同時(shí)，焊接金屬發(fā)生明顯的塑性變形，熱量使焊縫區(qū)溫度升高，達(dá)到某一溫度時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，剛生成的晶粒由于攪拌針攪拌作用的影響，沒(méi)來(lái)得及長(zhǎng)大就被擊碎成細(xì)小的等軸晶粒，與此同時(shí)，焊縫內(nèi)開(kāi)始不斷生成僅能有限長(zhǎng)大的再結(jié)晶晶核，最后得到細(xì)小的焊核區(qū)晶粒組織。③在接頭的前進(jìn)側(cè)，焊縫與母材之間有清晰的分界線(xiàn)；在接頭的后退側(cè)，焊縫與母材的分界線(xiàn)則不明顯。④熱機(jī)影響區(qū)在焊核區(qū)的影響下，金屬會(huì)發(fā)生塑性變形；熱影響區(qū)幾乎沒(méi)有受到攪拌頭機(jī)械攪拌的影響，基本不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程，但會(huì)受到焊接熱循環(huán)的作用，晶粒易于長(zhǎng)大。

陳華斌等人［5］研究了SiCp/6066Al的攪拌摩擦焊接，發(fā)現(xiàn)攪拌針與復(fù)合材料接觸部分相互嚙合、粘接、剪切，塑性變形程度很大，最終導(dǎo)致晶粒破碎，獲得晶粒細(xì)小的焊縫組織；熱影響區(qū)晶粒粗大，并且隨著與焊縫間距離的增加，晶粒尺寸也逐漸增大。

增強(qiáng)顆粒的尺寸變化和分布特點(diǎn)，也在很大程度上影響接頭的力學(xué)性能。眾多研究證明顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接后，增強(qiáng)顆粒在焊核區(qū)的分布相對(duì)均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象減弱［6］，且在部分焊接接頭中發(fā)現(xiàn)了顆粒的斷裂。焊接過(guò)程中，強(qiáng)烈的攪拌作用使增強(qiáng)顆粒團(tuán)聚體減少、彌散分布，也降低了應(yīng)力集中。馮濤等人［2］對(duì)SiCp/2024Al復(fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接研究，觀察焊縫發(fā)現(xiàn)：焊縫處SiC分布并不均勻，焊核區(qū)增強(qiáng)相顆粒數(shù)量較少，熱機(jī)影響區(qū)會(huì)發(fā)生增強(qiáng)相顆粒堆積，SiC受到攪拌針的攪拌作用而發(fā)生破碎。任益博［3］研究TiB2/7050鋁基復(fù)合材料拌摩擦焊接時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)TiB2顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象徹底消失，TiB2呈彌散態(tài)均勻地分布在鋁合金基體中，部分TiB2顆粒邊棱消失，顆粒尺寸變細(xì)小。分析發(fā)現(xiàn)，原因是攪拌頭旋轉(zhuǎn)引起的剪切應(yīng)力與鋁基體的塑性流動(dòng)使復(fù)合材料中團(tuán)聚的TiB2顆粒被打散，進(jìn)一步使顆粒之間、顆粒與基體之間產(chǎn)生擠壓、摩擦等現(xiàn)象，從而造成部分大尺寸顆粒在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。

綜上所述，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接接頭的微觀組織和顆粒分布特點(diǎn)為：焊縫中心處焊核區(qū)受到劇烈的攪拌作用，組織發(fā)生明顯的塑性變形和再結(jié)晶現(xiàn)象；復(fù)合材料中的陶瓷增強(qiáng)顆粒攪拌后重新分布，部分大尺寸顆粒發(fā)生破碎；熱機(jī)影響區(qū)因緊鄰焊核區(qū)，受到的攪拌作用相對(duì)較弱，晶粒會(huì)沿某特定方向拉長(zhǎng)，發(fā)生明顯的扭曲變形；熱影響區(qū)因僅受到摩擦熱的作用，會(huì)發(fā)生晶粒的略微長(zhǎng)大。若需要保證焊接質(zhì)量，則必須選擇合適的焊接參數(shù)，保證合理的熱輸入，以此得到優(yōu)良的接頭宏觀形貌及微觀組織。

2 焊接接頭力學(xué)性能及斷裂特征

焊接接頭的力學(xué)性能一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接關(guān)注的熱點(diǎn)，也是復(fù)合材料應(yīng)用企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 焊接參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和行進(jìn)速度是攪拌摩擦焊接中最重要的兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于不同的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，這兩個(gè)參數(shù)的影響也存在一定差異［1，7］。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大部分顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接接頭的力學(xué)性能隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的加快而提高，直至達(dá)到極限水平。旋轉(zhuǎn)速度過(guò)慢，易導(dǎo)致焊接熱輸入不足；旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，將造成焊接熱輸入較大。熱輸入的不足及過(guò)大均會(huì)影響接頭材料軟化程度或混合程度，最終影響接頭性能，同時(shí)攪拌頭的行進(jìn)速度對(duì)焊縫強(qiáng)度也有一定的影響。行進(jìn)速度對(duì)接頭熱量產(chǎn)生的影響較小，對(duì)焊縫金屬的冷卻速度影響較大。行進(jìn)速度過(guò)小，焊核區(qū)冷卻較慢，容易導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大；行進(jìn)速度過(guò)大，材料難以填充，焊縫成形效果較差。隨著攪拌頭行進(jìn)速度的提高，接頭抗拉強(qiáng)度增大，直至達(dá)到最大值；如再繼續(xù)提高其行進(jìn)速度，抗拉強(qiáng)度則會(huì)下降。

孫汝繼等人［8］在SiCp/Al基復(fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，研究了焊接速度與接頭顯微硬度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)焊接速度較低時(shí)，熱影響區(qū)的顯微硬度值也相對(duì)較低。增加焊接速度，熱影響區(qū)的最低硬度逐漸增加，焊核區(qū)的顯微硬度基本保持不變。隨著焊接速度增大，熱影響區(qū)的硬度也有所提高。當(dāng)焊接速度大于300 mm/min時(shí)，焊核區(qū)與熱影響區(qū)的顯微硬度相差基本不大。在焊接轉(zhuǎn)速改變時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度變化相對(duì)較小。焊接速度大于300 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最大達(dá)到500 MPa。

2.2 接頭斷裂特點(diǎn)

陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接試樣的拉伸試驗(yàn)大多數(shù)斷在焊縫處。

姚婷婷［9］研究TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接頭的斷口形貌，發(fā)現(xiàn)接頭斷口處存在很多韌窩，韌窩底部發(fā)現(xiàn)TiB2顆粒的分布，在母材斷口顆粒呈團(tuán)簇狀分布，在接頭斷口呈均勻分布，原因?yàn)閿嚢栳樀臄嚢枳饔梅鬯榱薚iB2顆粒，并使其均勻分布。因?yàn)門(mén)iB2顆粒具有較高的斷裂強(qiáng)度，故在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，拉伸載荷不會(huì)造成其斷裂破碎，只在基體界面與增強(qiáng)相顆粒結(jié)合較薄弱的位置產(chǎn)生裂紋，在載荷作用下裂紋不斷擴(kuò)展延伸，最終導(dǎo)致顆粒與金屬基體在界面處脫粘，使材料進(jìn)一步發(fā)生斷裂。

綜上所述，通過(guò)合理匹配旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度可以使焊接接頭的強(qiáng)度和硬度得到明顯提升。最優(yōu)的焊接工藝可帶入焊接區(qū)最適量的熱輸入，提高復(fù)合材料達(dá)到完全塑性狀態(tài)后的流動(dòng)性，促進(jìn)增強(qiáng)相顆粒的均勻分布，從而有效提高接頭的力學(xué)性能。

3 攪拌頭對(duì)焊接效果的影響

攪拌頭是攪拌摩擦焊接的工具。攪拌頭的軸肩和攪拌針的幾何形貌和尺寸直接影響焊接過(guò)程中的摩擦生熱，進(jìn)一步控制接頭熱塑化材料流動(dòng)和接頭的形成，決定接頭質(zhì)量和焊接效率［1］。攪拌頭的選取應(yīng)保證焊接區(qū)產(chǎn)生足夠的摩擦熱且能給予發(fā)生塑性流動(dòng)的金屬有效的擠壓力，這樣在攪拌針和軸肩共同作用下發(fā)生塑化的金屬才能有效地在攪拌區(qū)流動(dòng)，形成無(wú)缺陷的焊接接頭。

攪拌頭在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，破損狀況越嚴(yán)重，產(chǎn)生缺陷的概率越大，對(duì)焊縫接頭材質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中加入的強(qiáng)化相，硬度、強(qiáng)度都很高，且陶瓷顆粒與攪拌頭在焊接過(guò)程中發(fā)生摩擦，很容易造成攪拌頭出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。

劉光錚等人［10］通過(guò)對(duì)比W9鋼攪拌頭和GT35攪拌頭在攪拌摩擦焊接過(guò)程中的磨損程度，選定了采用GT35鋼攪拌頭進(jìn)行焊接SiCp/2014Al的焊接試驗(yàn)，并提出“一字凹凸槽”的攪拌頭設(shè)計(jì)（如圖4所示）。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變攪拌頭材料、改善攪拌頭的形狀能有效降低攪拌頭的磨損程度，提高使用壽命。

綜上所述，選擇合適的攪拌頭材料，設(shè)計(jì)合理的攪拌頭形狀，再配合穩(wěn)定、可靠的焊接參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的高效連接。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)看，陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接研究是一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程。進(jìn)行陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接應(yīng)用研究，既有重大的應(yīng)用意義，也面臨著極大的挑戰(zhàn)。在已有研究成果的基礎(chǔ)上，仍有許多需要補(bǔ)充和加強(qiáng)的方面。

（1）焊接的材料種類(lèi)有待擴(kuò)大。目前，大多數(shù)關(guān)于陶瓷顆粒鋁基復(fù)合材研究的攪拌摩擦焊研究都是針對(duì)Al2O3、SiC、TiB2等顆粒作為增強(qiáng)相的低體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料，對(duì)其他顆粒作為增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料以及增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較高的材料的研究仍然甚少。

（2）焊接工藝穩(wěn)定性有待完善。很多顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接工藝還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工藝的穩(wěn)定性仍需完善，與真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用有較大距離。未來(lái)還需深入分析焊接過(guò)程參數(shù)對(duì)接頭塑性變形程度、微觀組織的影響規(guī)律，揭示攪拌摩擦焊接過(guò)程中焊縫區(qū)金屬的溫度特征和流變機(jī)理，建立接頭組織演變與焊接工藝的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，達(dá)到通過(guò)優(yōu)化焊接工藝改善接頭組織，進(jìn)而提高接頭強(qiáng)度、耐蝕性、抗疲勞等性能的目的。

（3）高性能焊接工具有待開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在，關(guān)于陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接工藝的研究主要集中在攪拌頭磨損的狀況方面，針對(duì)如何改變攪拌頭外形和材質(zhì)的研發(fā)工作相對(duì)較少。研究攪拌頭形狀及材料對(duì)攪拌頭磨損的影響，開(kāi)發(fā)適用于增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接的高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫?cái)嚢桀^是一個(gè)重要的研究方向。

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