【摘 要】
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7N01Al合金是一种典型的中高强度可焊铝合金,被广泛应用于高铁、地铁、磁悬浮列车等轨道交通工具的焊接结构部件。然而,随着新一代轨道交通工具对高速度、轻量化、低能耗等要求的不断提高,传统的7N01Al合金已经不能满足对其高强韧、高安全、易焊接等性能的需求,因此进一步提高7N01Al合金强度并保持或提高其塑韧性和焊接性具有重要意义。当前,原位纳米颗粒强化和稀土微合金化是提高铝合金强韧性和焊接性的重要
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（Nos.U20A20274,51701085,52071158）； 江苏省“六大人才高峰”计划（2018-XCL-202）； 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室开放基金（MMC-KF18-16）； 江苏省高端结构材料重点实验室（HSM1803,1902）；
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7N01Al合金是一种典型的中高强度可焊铝合金,被广泛应用于高铁、地铁、磁悬浮列车等轨道交通工具的焊接结构部件。然而,随着新一代轨道交通工具对高速度、轻量化、低能耗等要求的不断提高,传统的7N01Al合金已经不能满足对其高强韧、高安全、易焊接等性能的需求,因此进一步提高7N01Al合金强度并保持或提高其塑韧性和焊接性具有重要意义。当前,原位纳米颗粒强化和稀土微合金化是提高铝合金强韧性和焊接性的重要途径,然而原位纳米颗粒的团聚问题以及过量稀土产生粗大析出相、价格昂贵等问题,使上述单一强化方法对合金性能的提升和推广应用受限。因此,本论文提出原位纳米颗粒与稀土协同强化的思路,向7N01Al合金中同时引入原位纳米ZrB2颗粒和稀土Sc,制备原位纳米ZrB2颗粒和稀土Sc协同强化的ZrB2/7N01Al-Sc复合材料,通过OM、CPLM、SEM、TEM、XRD以及电子万能材料试验机、显微硬度计等设备,研究原位纳米ZrB2颗粒和稀土Sc以及两者的协同作用对7N01Al合金微观组织、力学性能以及搅拌摩擦焊接性能的影响规律,并探讨其协同作用机理。微观组织研究表明:向7N01Al合金中单独引入ZrB2颗粒,制备的ZrB2/7N01Al复合材料中存在许多颗粒团簇,且团簇尺寸和数量随着颗粒含量的升高而增加。原位合成的ZrB2颗粒多为六边形形貌,边缘圆润,与基体结合良好、界面干净,平均颗粒尺寸约为61.7 nm。ZrB2颗粒的引入还细化了基体晶粒,当颗粒含量为3 wt.%时,晶粒尺寸最小,平均晶粒尺寸为44.3μm;向7N01Al合金中单独引入Sc,发现Sc对晶粒的细化效果比ZrB2颗粒更加明显,当Sc含量为0.2 wt.%时,晶粒尺寸最小,平均晶粒尺寸为33.7μm。晶粒细化效果与引入Sc后形成的Al3Sc以及Al3（Sc,Zr）相有关;当Sc含量超过0.2 wt.%时,会形成粗大的Al3（Sc,Zr）相,并使得原来细小的Al3Sc粗化。Sc的加入还使原来粗大连续分布的相转变为细小不连续分布的含稀土相;向7N01Al合金中同时引入原位纳米ZrB2颗粒和稀土Sc可以使基体晶粒进一步细化,3 wt.%ZrB2/7N01Al-0.2wt.%Sc复合材料平均晶粒尺寸约为24.2μm。此外,向ZrB2/7N01Al复合材料中引入Sc后,原位纳米ZrB2颗粒和Al熔体的润湿性被改善,颗粒团簇尺寸减小,分布变得更加均匀。而ZrB2颗粒则通过帮助溶质原子和空位向界面扩散,并减少形核激活能,促进稀土相在其周围析出。力学性能研究表明:对于ZrB2/7N01Al复合材料,其拉伸性能在颗粒含量为3 wt.%时到达最高,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为451.5 MPa、482.2 MPa和6.2%,与7N01Al合金基体相比,屈服强度与抗拉强度分别提高11.6%、6.9%,但是伸长率降低12.6%;对于7N01Al-Sc合金,其拉伸性能在Sc含量为0.2 wt.%时达到最高,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为462.1 MPa、493.2 MPa和10.2%,与7N01Al合金基体相比,分别提高14.4%、9.3%和43.7%。根据最佳原位纳米ZrB2颗粒和稀土Sc添加量,制备得到3 wt.%ZrB2/7N01Al-0.2 wt.%Sc复合材料,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为477.8 MPa、506.4 MPa和9.8%,与7N01Al合金基体相比,分别提高18.1%、12.2%和38.0%。断口形貌显示复合材料的断裂机制为韧性断裂。强韧化机理分析表明复合材料的强韧化机理主要为细晶强化、位错强化、Orowan强化和载荷承载强化,以及纳米颗粒和稀土析出相的引入产生的加工硬化。搅拌摩擦焊接性能研究表明:3 wt.%ZrB2/7N01Al-0.2 wt.%Sc复合材料的焊接接头被分成热影响区（HAZ）、机械热影响区（TMAZ）和焊核区（NZ）。HAZ仅受到了输入热的影响,仍保持原来的母材（BM）形貌;TMAZ为NZ和HAZ分界区域,此处晶粒呈伸长状沿界线分布。ZrB2颗粒团簇被拉长,沿着分界线呈现带状分布;NZ经历了高温热循环和剧烈塑性变形,复合材料在NZ的颗粒团簇被打破,颗粒分布更加弥散且部分较大尺寸颗粒碎裂。EBSD分析结果表明,7N01Al合金的NZ发生动态再结晶,材料晶粒转变为细小等轴晶,而复合材料由于增强相的钉扎作用,NZ再结晶被抑制,亚结构得以保留,晶粒尺寸只有7N01Al合金NZ的1/6。复合材料的焊接接头硬度测试结果为NZ硬度相比7N01Al合金NZ提升29.9%,而HAZ虽然也有提高但是仍然为硬度最低区域。焊接接头拉伸性能测试结果表明3 wt.%ZrB2/7N01Al-0.2 wt.%Sc复合材料焊接效率为92.3%,相比7N01Al合金提升12.8%。复合材料NZ强化机理为进一步的细晶强化、Orowan强化以及位错强化,而HAZ软化机理与FSW高温过程中引起的η’（Mg Zn2）相粗化有关。复合材料HAZ在FSW过程中损失的强度由引入的原位纳米ZrB2颗粒和Al3Sc以及Al3（Sc,Zr）相补足。
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