大幅提升高強鋁合金的焊接強韌性

高強度鋁合金結(jié)構(gòu)強韌性差一直是困擾航空航天、高速列車等重大裝備的世紀(jì)難題。自從焊接技術(shù)發(fā)明以來，鋁合金熔焊結(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生疲勞破壞，根源在于損傷演化機理不明。在一次高倍顯微觀察中，研究人員偶然發(fā)現(xiàn)在激光焊接7075鋁合金熔合線處存在著一個寬度僅為數(shù)十微米的貫穿板厚的細(xì)小等軸晶區(qū)（Fine eQuiaxed Zone，F(xiàn)QZ），這種極易被忽視的細(xì)晶帶在鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)中普遍存在，例如載運裝備用2000系、5000系、6000系、7000系和8000系鋁合金及能源用鋼S960、G115和Cr92等，焊接熱源覆蓋激光、電子束、等離子束和電弧，廣泛用于航空航天、能源動力、高速列車、海洋船舶等。研究顯示，細(xì)晶帶是接頭硬度和強度的區(qū)域，在結(jié)構(gòu)受載時，裂紋優(yōu)先萌生于細(xì)晶帶，造成破壞源于熱影響區(qū)（HAZ）的假象。為此，亟待探明熔焊接頭細(xì)晶帶的軟化及失效機理，為建造高損傷容限的輕量化鋁合金結(jié)構(gòu)提供科學(xué)支撐。

深入研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)晶帶內(nèi)部的細(xì)小等軸非枝晶是以母材中高溫穩(wěn)定相經(jīng)異質(zhì)形核而成，適宜的溫度梯度和熔池擾動共同決定了細(xì)晶帶形成于HAZ區(qū)域。調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能夠改變細(xì)晶帶的寬度，但無法完全消除細(xì)晶帶。基于高分辨X射線原位多尺度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)影響7050鋁合金接頭性能劣化的本質(zhì)因素，探明了細(xì)晶帶軟化及沿晶失效機制，進而提出了一種全新的“激光擾動+磁場脈沖”聯(lián)合制造策略，通過調(diào)控細(xì)晶帶的區(qū)間分布，大幅提升了激光熔焊接頭的強韌性，高于攪拌摩擦焊。相關(guān)成果以題為“Inhibiting weld cracking in high-strength aluminium alloys”發(fā)表在Nature Communications上，第一作者為西南交大牽引動力我國重點實驗室胡雅楠博士（現(xiàn)為力學(xué)與航空航天學(xué)院講師），通訊作者為吳圣川研究員（康國政團隊，共同作者）、上海交大沈朝副教授（曾小勤團隊，共同作者）及曼徹斯特大學(xué)Philip J. Withers兩院院士，完成單位還包括西南交大（虞雨框碩士生，張旭教授）、中科院金屬所（郭翼研究員）、英國曼徹斯特大學(xué)（鐘向莉高工）、牛津大學(xué)（Alexander M. Korsunsky教授，Sergio Lozano-Perez教授）、中科院上海光源（付亞楠研究員，肖體喬研究員）、中國航空制造技術(shù)研究院（車志剛研究員）和北京高能所北京光源（袁清習(xí)研究員）。

作者綜合利用多種表征方法，獲取接頭各區(qū)的微結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)第二相強化、細(xì)晶強化、位錯強化和固溶強化的關(guān)系模型，定量計算了析出相、晶粒尺寸、位錯密度和固溶原子對力學(xué)性能的貢獻。實驗結(jié)果表明，細(xì)晶帶晶內(nèi)析出相數(shù)量減少致強度降低的幅度更大，是導(dǎo)致該區(qū)域力學(xué)性能劣化的重要原因之一；而析出相數(shù)量減少是由強化元素Zn、Mg和Cu嚴(yán)重的晶界偏析以及急速的冷卻凝固使得剩余溶質(zhì)原子來不及重新沉淀析出所致。
進一步地，開展了多維多尺度關(guān)聯(lián)成像表征，包括同步輻射原位X射線成像和高分辨納米成像及透射電鏡等。發(fā)現(xiàn)在單調(diào)拉伸加載下，熔焊接頭優(yōu)先在細(xì)晶帶損傷形核與發(fā)生裂紋萌生。損傷形核模式包括三叉晶界形核以及晶間相與界面脫粘形核。其中，晶間相的空間形貌具有各向異性，傾向于沿著焊縫厚度方向填充在晶粒之間，這種分布特征有利于促進微孔洞的形核與擴展。另外，幾乎所有形核的微孔洞均與晶間相有關(guān)。通過衍射圖譜和成分標(biāo)定發(fā)現(xiàn)，孔洞形核與大角度晶界上分布的AlCuMg硬脆相密切相關(guān)。

研究人員受到力學(xué)三明治結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出焊縫有規(guī)律彎曲分布的成形思想，同時引入脈沖電磁場消除接頭中微裂紋和氣孔，來探索接頭拉伸強度與抗疲勞性能大幅提升的可能。研究表明，傳統(tǒng)接頭熔合線附近的細(xì)晶帶呈現(xiàn)連續(xù)且線性走向特征，而經(jīng)過“激光擾動+磁場脈沖”成形后，細(xì)晶帶在焊縫熔合線處將呈現(xiàn)出“S”形、斷續(xù)分布特征，且部分細(xì)晶帶由熔合線轉(zhuǎn)移至焊縫中心，從而使得細(xì)小等軸非枝晶與粗大等軸枝晶實現(xiàn)了交替分布。一方面，“激光擾動+磁場脈沖”聯(lián)合制造策略有助于改善合金元素分布，減弱強化元素晶界偏析程度，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，晶粒內(nèi)部強化相數(shù)量增加，進而提升了接頭的硬度和強度，使其達到了固相焊接水平。另一方面，“S”走向、斷續(xù)分布的細(xì)晶帶顯著增加了裂紋擴展阻力，從而大幅提升了接頭的“韌性”。此處所述的“韌性”主要指固體力學(xué)的損傷容限能力，而非簡單地材料學(xué)中的斷裂韌性。
總之，作者闡明了高強度鋁合金熔焊接頭細(xì)晶帶是導(dǎo)致強度大幅降低的微觀機制，進而提出了一種“激光擾動+磁場脈沖”聯(lián)合成形策略，調(diào)控細(xì)晶帶的微結(jié)構(gòu)特征及分布規(guī)律，以顯著提升接頭的強度和韌性。聯(lián)合制造方法條件下7000系鋁合金接頭強度約為母材90%以上，略高于攪拌摩擦焊接頭強度；同時疲勞裂紋擴展門檻值得到了顯著提高，裂紋擴展速率表現(xiàn)出有規(guī)律的停滯-下降走勢，表明接頭的抗疲勞開裂性能也得到了提升。論文問題源自作者2011年我國自然科學(xué)基金青年項目《激光-電弧復(fù)合焊熱循環(huán)致高強鋁合金接頭軟化的機理研究》（51005068），歷經(jīng)10余年探索終獲突破。研究成果不僅為高強鋁合金激光及復(fù)合熱源焊接破解了強韌性差的技術(shù)瓶頸，同時有助于重大裝備長壽命高可靠輕量化設(shè)計及服役，具有重要的工程指導(dǎo)意義。
近年來，吳圣川研究員在康國政教授帶領(lǐng)下，以牽引動力我國重點實驗室為依托，致力于載運工具結(jié)構(gòu)的服役性能表征及評價，先后承擔(dān)973計劃、我國自科基金（青基、面上、聯(lián)合、重點、重大）、軍委科技委JCJQ重點項目、省部國際合作項目及中車企業(yè)等多個項目。在重要學(xué)術(shù)期刊Nature Commun、Acta Mater、Int J Fatigue、Eng Fract Mech等發(fā)表論文160余篇，總引用達3000余次，6篇入選ESI高被引論文，授權(quán)專利15件，曾獲得中國質(zhì)量技術(shù)一等獎、四川省科技進步獎和學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人等獎勵。
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