文丨清河叙
编辑丨清河叙
前言
在镁合金焊接过程中，热影响区（HAZ）的软化是一个重要的挑战，会对接头的力学性能和可靠性造成负面影响。为了解决这一问题，研究人员致力于寻找减轻软化并增强接头强度的方法。
近期的研究中，通过应用纤维激光焊接技术成功地连接了含硒镁合金片，为镁合金加工和制造领域带来了新的研究热点。本研究通过多种显微结构表征技术，对接头的微观结构进行了详尽观察，并通过拉伸-剪切试验和硬度测试评估了接头的力学性能。
研究结果揭示了HAZ的软化机制以及焊接热循环对金属间化合物形态和分布的影响，为解决镁合金焊接中的软化问题提供了前景广阔的解决方案。
拓宽镁合金应用范围的关键
镁合金以其轻量化结构材料的特性而闻名，广泛应用于轻型汽车、航空航天和消费电子等各个领域，提供了无与伦比的优势。为了进一步改善镁合金的性能并拓宽其应用范围，人们对镁合金进行了元素调整，以实现颗粒细化和形成热稳定的再合金强化金属间化合物。
尤其是使用高元素含量，如La/Ce/Y等的镁合金制备方法，具有显著的优势，可以获得耐高温、高性能和经济有效的合金。然而，在制造复杂部件时，焊接和连接是不可避免的。不幸的是，焊接过程中的热循环会对合金内的金属间化合物沉淀和分布产生不可逆的影响，特别是对于热稳定性较差的金属间化合物而言。
由于这些金属间化合物微观结构的改变，HAZ的力学性能会受到损害。举例来说，在广泛使用的AZ、AM和AS合金中，突出的金属间化合物Mg17Al12具有相对较低的熔点（460°C）。同样地，在AZ和ZK合金中，MgZn2和镁顶峰3的熔点分别为588°C和595°C，明显低于镁基体的熔点（648°C，这是HAZ可能达到的温度）。
值得注意的是，上述金属间化合物在镁合金中有较高的沉淀水平。随着HAZ内温度随着距离FZ边界的减小而升高，在焊接热循环过程中，这些主要金属间化合物在HAZ内的沉淀和分布很容易发生变化。
探索热稳定金属间化合物的作用
实现高质量的镁合金焊接仍然是镁合金构件制造的一个关键前沿，尤其是在减轻HAZ的软化和优化其内部晶粒和金属间化合物结构方面。激光焊接以其高能量密度、快速加热速率、低热输入和精确性而脱颖而出。
因此，在HAZ中，金属间化合物仅暴露于焊接热源中的瞬间，这导致HAZ区域相对较窄。需要注意的是，激光焊接是一种不依赖镁合金塑性的熔焊过程，类似于搅拌摩擦焊接的情况。
激光焊接通过激光束穿透熔融池产生的热流搅拌，在焊缝区域（FZ）中实现了金属间化合物的均匀分布。这使得激光焊接成为连接镁合金的理想选择。
有趣的是，稀土金属间化合物具有良好的热稳定性，特别是含铝的稀土金属间化合物具有较高的熔点。根据切尔温斯基和乌波洛娃的研究，镁合金中的潜在金属间化合物11Ce3和Al2Ce的熔点分别为1253°C和1455°C。
热稳定的金属间化合物在焊缝热循环中的存在对于减少焊接热对微观结构的影响并保持其强度至关重要。因此，激光焊接与稀土金属间化合物的结合为减少焊缝热影响区（HAZ）的软化并实现高质量的接头提供了理想的解决方案。
研究结果表明，使用2.5 kW Nd:YAG激光对2 mm厚的ZE41AT5板进行焊接时，焊缝宽度（FZ）为0.8~1.3 mm，而焊缝热影响区（HAZ）宽度却达到了惊人的2 mm。
过宽的HAZ对接头的机械性能产生不利影响。研究人员在NZ30K合金上进行了激光焊接，并进行了硬度测试。结果显示，基体的硬度为58 HV，而焊缝区域（FZ）和焊缝热影响区（HAZ）的硬度均有所降低。
与基体相比，焊接接头的硬度降低了9 HV，这表明焊接过程中不仅没有形成更细粒度的结构，而且镁合金中FZ和HAZ中的Nd颗粒也没有对接头的硬度产生影响。
这表明，虽然镁合金可以通过激光焊接连接，但现有的实验结果一致地表明，HAZ和FZ的强度与内部的金属间化合物密切相关。目前尚不清楚控制这些关系的潜在机制，特别是在热循环过程中如何调节和控制金属间化合物的形态和分布。
当涉及到稀土金属间化合物时，这些机制变得更加复杂。因此，需要进一步的研究来更好地了解如何控制凝固过程的微观组织，并确定其对接头力学性能的影响。
纤维激光焊接技术连接含硒镁合金，并使用扫描电镜、能谱仪（EDS）和透射电镜对接头进行了详细的微观结构观察。特别强调了HAZ和FZ中金属间化合物形态和分布的变化。通过硬度和拉伸-剪切试验评估了接头的力学性能。研究结果显示，焊接热在HAZ中形成了珊瑚状沉淀物，对HAZ的力学性能产生了负面影响。
相比之下，FZ表现出均匀分散的微米级细颗粒，有助于增强其力学性能。因此，接头在HAZ处发生断裂，特别是靠近FZ和HAZ界面处的HAZ内的珊瑚状沉淀物边界，使HAZ成为接头最脆弱的部分。上述结果凸显了稀土金属间化合物在减轻焊接热对镁合金微观结构影响方面的重要性，并揭示了HAZ软化和FZ强化的机制，为在热循环条件下焊接镁合金构件提供了可行的解决方案。
为了研究含有0.4 wt% Ce的AZ系列镁合金中稀土间化合物在热影响区（HAZ）和熔化区（FZ）中的分布和演化机制，我们采用了以下实验方案。
使用线性切割机从镁合金铸坯上切割出焊接片，并使用1500#磨料纸将板材磨成尺寸为50 mm x 10 mm x 0.7 mm的样品。在进行激光焊接之前，对这些薄片进行了酒精清洗和充分干燥处理。
焊接实验使用了功率为3 kW的光纤激光系统（IPG光子学YLS-3000-SM）。焊接参数设置如下：焊接功率为500 W，激光机头倾斜度相对于垂直方向的角度为10°，散焦距离为0 mm，焊接速度为5 mm/s。上片和底片的重叠距离为15 mm。在焊接过程中，使用氩气对焊接接头进行保护，直到完全冷却。通过线性切割机从焊接接头中获得试样。
焊接接头中的金属间化合物观察与分析
为了观察焊缝的三维形貌，使用Keyence VHX-7000数字显微镜进行观察。通过镶嵌、研磨、抛光和蚀刻的处理后，使用Keyence VHX-7000光学显微镜和蔡司EVO MA 10扫描电子显微镜（SEM）进行显微结构观察。
蚀刻剂的配制为1ml次硝酸混合3g草酸和99ml纯水。使用牛津X-Max EDS系统对金属间化合物进行元素组成分析。利用加速电压为200 kV的FEI Talos F200X扫描透射电镜（STEM）测定熔化区金属间化合物的晶体结构。使用FEI Scios聚焦离子束/SEM（FIB-SEM）系统制备用于透射电镜（TEM）观察的薄片，离子束电流为1.6 nA。在进行FIB切割前后，使用FIB-SEM集成的EDAX TEAM型EDS对样品进行分析。
拉伸试验采用CareIBTC-5000原位拉伸系统进行，拉伸速率为0.01mm/s。硬度试验采用华英HV-1000显微硬度仪，试验力分别为100gf和50gf，保持时间为10秒。
通过以上实验方案，我们将能够全面研究含有0.4 wt% Ce的AZ系列镁合金中稀土间化合物在焊接接头的HAZ和FZ中的分布和演化机制。
已经对微粒细颗粒（包括常规和稀土金属间碎片）增强聚焦区域（HAZ）的机制有了很好的理解。这种增强机制主要涉及位错的阻碍和钉扎，从而限制其运动，抑制塑性变形并增强强度。经典的Orowan机制可以解释这一现象，其中位错绕过微米级金属间物质，形成位错环，从而导致额外的合金增强。
值得注意的是，在HAZ中的稀土金属间化合物保留了其原始形态和分布。相比之下，传统的金属间化合物（如镁17铝12和锰锌2）主要位于基体金属的晶界和熔体中。随后，它们沿晶界流动，并渗透到晶粒/亚晶粒之间的空隙中。这导致在HAZ中形成具有圆头形态和珊瑚状内部结构的热影响产品。
镁17铝12和锰锌2与Mg基质之间呈非相干界面关系，导致它们之间的界面键合较弱。因此，在拉伸-剪切加载过程中，弱粘合界面首先断裂，发生典型的骨折。
拉剪试验对搭接接头涉及塑性变形和轴向拉伸，这对接头的综合力学性能（塑性和强度）有很高的要求。观察结果显示，断裂表面上稀土金属间化合物的含量相对较低，主要是传统的金属间化合物。这些发现同样表明，由HAZ中传统金属间化合物引起的裂纹是导致接头失效的主要机制。
有趣的是，Al11Ce3呈现为长针状纤维结构，而Al10Ce2Mn7呈现为短棒状或颗粒状结构，两者都对接头强度的增强起到积极作用。然而，尽管Al11Ce3具有这种有益作用，作为一种金属间化合物，它具有脆性和硬度。
在合金基体发生显著弯曲或变形时，Al11Ce3往往会断裂成较小的段，从而导致接头最终失效。显然，HAZ中常规金属间化合物形态和分布的改变是导致HAZ软化的原因，而保持热稳定的稀土金属间化合物对于维持HAZ的力学性能至关重要。
结论
综上所述，微粒细颗粒的引入对增强聚焦区域的力学性能有着显著影响。通过钉扎位错并抑制塑性变形，微粒细颗粒能够提高材料的强度。稀土金属间化合物在焊接过程中保持了其形态和分布，而传统的金属间化合物则通过晶界流动渗透到晶粒/亚晶粒之间的空隙中。
对于HAZ的稳定性和力学性能的维持，热稳定的稀土金属间化合物至关重要。研究结果为实现高质量的镁合金焊接提供了重要的指导，并为进一步优化焊接工艺和材料选择提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索微粒细颗粒与基体材料之间的相互作用机制，以及如何通过调控稀土金属间化合物的形态和分布来进一步提高焊接接头的性能和可靠性。
