文丨清河敘
編輯丨清河敘
前言
在鎂合金焊接過程中，熱影響區（HAZ）的軟化是一個重要的挑戰，會對接頭的力學性能和可靠性造成負面影響。為了解決這一問題，研究人員致力於尋找減輕軟化並增強接頭強度的方法。
近期的研究中，通過應用纖維激光焊接技術成功地連接了含硒鎂合金片，為鎂合金加工和製造領域帶來了新的研究熱點。本研究通過多種顯微結構表徵技術，對接頭的微觀結構進行了詳盡觀察，並通過拉伸-剪切試驗和硬度測試評估了接頭的力學性能。
研究結果揭示了HAZ的軟化機制以及焊接熱循環對金屬間化合物形態和分布的影響，為解決鎂合金焊接中的軟化問題提供了前景廣闊的解決方案。
拓寬鎂合金應用範圍的關鍵
鎂合金以其輕量化結構材料的特性而聞名，廣泛應用於輕型汽車、航空航天和消費電子等各個領域，提供了無與倫比的優勢。為了進一步改善鎂合金的性能並拓寬其應用範圍，人們對鎂合金進行了元素調整，以實現顆粒細化和形成熱穩定的再合金強化金屬間化合物。
尤其是使用高元素含量，如La/Ce/Y等的鎂合金製備方法，具有顯著的優勢，可以獲得耐高溫、高性能和經濟有效的合金。然而，在製造複雜部件時，焊接和連接是不可避免的。不幸的是，焊接過程中的熱循環會對合金內的金屬間化合物沉澱和分布產生不可逆的影響，特別是對於熱穩定性較差的金屬間化合物而言。
由於這些金屬間化合物微觀結構的改變，HAZ的力學性能會受到損害。舉例來說，在廣泛使用的AZ、AM和AS合金中，突出的金屬間化合物Mg17Al12具有相對較低的熔點（460°C）。同樣地，在AZ和ZK合金中，MgZn2和鎂頂峰3的熔點分別為588°C和595°C，明顯低於鎂基體的熔點（648°C，這是HAZ可能達到的溫度）。
值得注意的是，上述金屬間化合物在鎂合金中有較高的沉澱水平。隨著HAZ內溫度隨著距離FZ邊界的減小而升高，在焊接熱循環過程中，這些主要金屬間化合物在HAZ內的沉澱和分布很容易發生變化。
探索熱穩定金屬間化合物的作用
實現高質量的鎂合金焊接仍然是鎂合金構件製造的一個關鍵前沿，尤其是在減輕HAZ的軟化和優化其內部晶粒和金屬間化合物結構方面。激光焊接以其高能量密度、快速加熱速率、低熱輸入和精確性而脫穎而出。
因此，在HAZ中，金屬間化合物僅暴露於焊接熱源中的瞬間，這導致HAZ區域相對較窄。需要注意的是，激光焊接是一種不依賴鎂合金塑性的熔焊過程，類似於攪拌摩擦焊接的情況。
激光焊接通過激光束穿透熔融池產生的熱流攪拌，在焊縫區域（FZ）中實現了金屬間化合物的均勻分布。這使得激光焊接成為連接鎂合金的理想選擇。
有趣的是，稀土金屬間化合物具有良好的熱穩定性，特別是含鋁的稀土金屬間化合物具有較高的熔點。根據切爾溫斯基和烏波洛娃的研究，鎂合金中的潛在金屬間化合物11Ce3和Al2Ce的熔點分別為1253°C和1455°C。
熱穩定的金屬間化合物在焊縫熱循環中的存在對於減少焊接熱對微觀結構的影響並保持其強度至關重要。因此，激光焊接與稀土金屬間化合物的結合為減少焊縫熱影響區（HAZ）的軟化並實現高質量的接頭提供了理想的解決方案。
研究結果表明，使用2.5 kW Nd:YAG激光對2 mm厚的ZE41AT5板進行焊接時，焊縫寬度（FZ）為0.8~1.3 mm，而焊縫熱影響區（HAZ）寬度卻達到了驚人的2 mm。
過寬的HAZ對接頭的機械性能產生不利影響。研究人員在NZ30K合金上進行了激光焊接，並進行了硬度測試。結果顯示，基體的硬度為58 HV，而焊縫區域（FZ）和焊縫熱影響區（HAZ）的硬度均有所降低。
與基體相比，焊接接頭的硬度降低了9 HV，這表明焊接過程中不僅沒有形成更細粒度的結構，而且鎂合金中FZ和HAZ中的Nd顆粒也沒有對接頭的硬度產生影響。
這表明，雖然鎂合金可以通過激光焊接連接，但現有的實驗結果一致地表明，HAZ和FZ的強度與內部的金屬間化合物密切相關。目前尚不清楚控制這些關係的潛在機制，特別是在熱循環過程中如何調節和控制金屬間化合物的形態和分布。
當涉及到稀土金屬間化合物時，這些機制變得更加複雜。因此，需要進一步的研究來更好地了解如何控制凝固過程的微觀組織，並確定其對接頭力學性能的影響。
纖維激光焊接技術連接含硒鎂合金，並使用掃描電鏡、能譜儀（EDS）和透射電鏡對接頭進行了詳細的微觀結構觀察。特彆強調了HAZ和FZ中金屬間化合物形態和分布的變化。通過硬度和拉伸-剪切試驗評估了接頭的力學性能。研究結果顯示，焊接熱在HAZ中形成了珊瑚狀沉澱物，對HAZ的力學性能產生了負面影響。
相比之下，FZ表現出均勻分散的微米級細顆粒，有助於增強其力學性能。因此，接頭在HAZ處發生斷裂，特別是靠近FZ和HAZ界面處的HAZ內的珊瑚狀沉澱物邊界，使HAZ成為接頭最脆弱的部分。上述結果凸顯了稀土金屬間化合物在減輕焊接熱對鎂合金微觀結構影響方面的重要性，並揭示了HAZ軟化和FZ強化的機制，為在熱循環條件下焊接鎂合金構件提供了可行的解決方案。
為了研究含有0.4 wt% Ce的AZ系列鎂合金中稀土間化合物在熱影響區（HAZ）和熔化區（FZ）中的分布和演化機制，我們採用了以下實驗方案。
使用線性切割機從鎂合金鑄坯上切割出焊接片，並使用1500#磨料紙將板材磨成尺寸為50 mm x 10 mm x 0.7 mm的樣品。在進行激光焊接之前，對這些薄片進行了酒精清洗和充分乾燥處理。
焊接實驗使用了功率為3 kW的光纖激光系統（IPG光子學YLS-3000-SM）。焊接參數設置如下：焊接功率為500 W，激光機頭傾斜度相對於垂直方向的角度為10°，散焦距離為0 mm，焊接速度為5 mm/s。上片和底片的重疊距離為15 mm。在焊接過程中，使用氬氣對焊接接頭進行保護，直到完全冷卻。通過線性切割機從焊接接頭中獲得試樣。
焊接接頭中的金屬間化合物觀察與分析
為了觀察焊縫的三維形貌，使用Keyence VHX-7000數字顯微鏡進行觀察。通過鑲嵌、研磨、拋光和蝕刻的處理後，使用Keyence VHX-7000光學顯微鏡和蔡司EVO MA 10掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微結構觀察。
蝕刻劑的配製為1ml次硝酸混合3g草酸和99ml純水。使用牛津X-Max EDS系統對金屬間化合物進行元素組成分析。利用加速電壓為200 kV的FEI Talos F200X掃描透射電鏡（STEM）測定熔化區金屬間化合物的晶體結構。使用FEI Scios聚焦離子束/SEM（FIB-SEM）系統製備用於透射電鏡（TEM）觀察的薄片，離子束電流為1.6 nA。在進行FIB切割前後，使用FIB-SEM集成的EDAX TEAM型EDS對樣品進行分析。
拉伸試驗採用CareIBTC-5000原位拉伸系統進行，拉伸速率為0.01mm/s。硬度試驗採用華英HV-1000顯微硬度儀，試驗力分別為100gf和50gf，保持時間為10秒。
通過以上實驗方案，我們將能夠全面研究含有0.4 wt% Ce的AZ系列鎂合金中稀土間化合物在焊接接頭的HAZ和FZ中的分布和演化機制。
已經對微粒細顆粒（包括常規和稀土金屬間碎片）增強聚焦區域（HAZ）的機制有了很好的理解。這種增強機制主要涉及位錯的阻礙和釘扎，從而限制其運動，抑制塑性變形並增強強度。經典的Orowan機制可以解釋這一現象，其中位錯繞過微米級金屬間物質，形成位錯環，從而導致額外的合金增強。
值得注意的是，在HAZ中的稀土金屬間化合物保留了其原始形態和分布。相比之下，傳統的金屬間化合物（如鎂17鋁12和錳鋅2）主要位於基體金屬的晶界和熔體中。隨後，它們沿晶界流動，並滲透到晶粒/亞晶粒之間的空隙中。這導致在HAZ中形成具有圓頭形態和珊瑚狀內部結構的熱影響產品。
鎂17鋁12和錳鋅2與Mg基質之間呈非相干界面關係，導致它們之間的界面鍵合較弱。因此，在拉伸-剪切載入過程中，弱粘合界面首先斷裂，發生典型的骨折。
拉剪試驗對搭接接頭涉及塑性變形和軸向拉伸，這對接頭的綜合力學性能（塑性和強度）有很高的要求。觀察結果顯示，斷裂表面上稀土金屬間化合物的含量相對較低，主要是傳統的金屬間化合物。這些發現同樣表明，由HAZ中傳統金屬間化合物引起的裂紋是導致接頭失效的主要機制。
有趣的是，Al11Ce3呈現為長針狀纖維結構，而Al10Ce2Mn7呈現為短棒狀或顆粒狀結構，兩者都對接頭強度的增強起到積極作用。然而，儘管Al11Ce3具有這種有益作用，作為一種金屬間化合物，它具有脆性和硬度。
在合金基體發生顯著彎曲或變形時，Al11Ce3往往會斷裂成較小的段，從而導致接頭最終失效。顯然，HAZ中常規金屬間化合物形態和分布的改變是導致HAZ軟化的原因，而保持熱穩定的稀土金屬間化合物對於維持HAZ的力學性能至關重要。
結論
綜上所述，微粒細顆粒的引入對增強聚焦區域的力學性能有著顯著影響。通過釘扎位錯並抑制塑性變形，微粒細顆粒能夠提高材料的強度。稀土金屬間化合物在焊接過程中保持了其形態和分布，而傳統的金屬間化合物則通過晶界流動滲透到晶粒/亞晶粒之間的空隙中。
對於HAZ的穩定性和力學性能的維持，熱穩定的稀土金屬間化合物至關重要。研究結果為實現高質量的鎂合金焊接提供了重要的指導，並為進一步優化焊接工藝和材料選擇提供了新的思路。未來的研究可以進一步探索微粒細顆粒與基體材料之間的相互作用機制，以及如何通過調控稀土金屬間化合物的形態和分布來進一步提高焊接接頭的性能和可靠性。
