【摘 要】
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镁合金作为典型的轻质合金,具有高比强度、高比刚度等优点,在航空航天、国防和3C等领域具有广阔的应用前景。镁合金的可靠连接可以有效拓宽轻量化材料的应用范围,目前“以焊代铆”成为工业连接技术的发展趋势,因此对镁合金焊接接头力学性能提出了更高的要求。然而镁合金由于熔点低且化学性质活泼,在焊接过程易产生缺陷,导致接头力学性能不足,限制了其进一步应用。研究表明,复合化接头是一种有效改善接头性能的重要手段。本
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镁合金作为典型的轻质合金,具有高比强度、高比刚度等优点,在航空航天、国防和3C等领域具有广阔的应用前景。镁合金的可靠连接可以有效拓宽轻量化材料的应用范围,目前“以焊代铆”成为工业连接技术的发展趋势,因此对镁合金焊接接头力学性能提出了更高的要求。然而镁合金由于熔点低且化学性质活泼,在焊接过程易产生缺陷,导致接头力学性能不足,限制了其进一步应用。研究表明,复合化接头是一种有效改善接头性能的重要手段。本文以AZ31镁合金板为待焊材料,通过电泳沉积方式在镁板表面制备碳纳米管（CNTs）涂层,并采用搅拌摩擦焊（FSW）完成对焊,获得一道次搅拌摩擦焊复合接头（FSW-1/CNTs-Mg）。为进一步调控焊缝质量和组织,在FSW-1/CNTs-Mg基础上进行二道次焊接获得二道次搅拌摩擦焊复合接头（FSW-2/CNTs-Mg）。在一/二道次搅拌摩擦焊对焊过程中,研究了 CNTs的引入对接头显微组织、晶粒取向、应变分布及力学性能的影响,重点分析了不同接头不同区域的织构演变规律及取向分布情况。基于组织及性能的研究结果,明确了工艺-复合化接头-组织-性能之间的相关性,揭示了复合化接头强韧化机制。主要研究内容及结论如下:（1）采用CNTs作为增强体,在AZ31表面通过电泳沉积方式获得CNTs均匀涂层的板（CNTs-Mg）。首先对原始CNTs进行酸化提纯处理,与原始CNTs相比,预处理后碳管杂质去除,无定形碳减少,石墨化程度提高。通过预分散处理去除了 CNTs表面携带的化学杂质,并且改善了原始CNTs的分散性。其次,以镁板和Pt作为对电极,在CNTs悬浮液中进行沉积处理,通过调整电泳参数以改善镁板表面沉积CNTs涂层的均匀性。最佳参数确定为:CNTs悬浮液浓度0.2 mg/mL,Al（NO3）3·9H2O含量0.12 g,沉积电压25 V,沉积时间45 s。（2）采用搅拌摩擦焊技术分别对AZ31镁板及CNTs-Mg板进行一道次焊接并获得 FSW-1/Mg 和 FSW-1/CNTs-Mg 两种接头。FSW-1/CNTs-Mg接头中CNTs分布均匀,且与基体之间润湿性良好。相比于FSW-1/Mg接头,FSW-1/CNTs-Mg接头搅拌区（SZ）晶粒细化明显。焊接接头成形过程中前进侧（AS）合金的流动方向单一,而后退侧（RS）合金输送相对复杂,从而在接头处形成了组织各异的区域,且各区域晶粒取向、位错密度等存在较大差异。此外,FSW-1/CNTs-Mg接头AS侧的SZ/TMAZ区平均取向差角相比FSW-1/Mg增加,表明引入CNTs在一定程度上提高了复合接头的位错密度。FSW-1/Mg和FSW-1/CNTs-Mg接头的抗拉强度分别为母材的84.5%和90.6%,证明CNTs的加入有效强化了FSW-1/CNTs-Mg复合接头的力学性能。断裂分析表明,裂纹在SZ/TMAZ界面处优先萌生,且沿SZ/TMAZ界面并与TD呈45°方向断裂。（3）对FSW-1/Mg和FSW-1/CNTs-Mg接头进行低热输入的二道次焊接,获得FSW-2/Mg和FSW-2/CNTs-Mg接头。结果表明二道次搅拌摩擦焊对焊进一步改善了搅拌区内CNTs的分布,且在热机械循环作用下CNTs形态由长纤维（～300 nm）变为短纤维（～120 nm）,有助于细化晶粒及均匀应变。相比于FSW-2/Mg接头,FSW-2/CNTs-Mg接头SZ区晶粒细化明显。相比一道次焊接,二道次焊接过程中,焊缝区金属的流动更为复杂,AS侧的近SZ/TMAZ区取向差异不明显,织构分布更加随机,各向异性降低。FSW-2/CNTs-Mg接头AS侧的SZ/TMAZ区平均取向差角相比FSW-2/Mg增加。拉伸测试结果表明,FSW-2/Mg和FSW-2/CNTs-Mg接头抗拉强度分别为母材的89.7%及98.5%。断裂分析表明,二次焊接断裂依然位于AS侧SZ/TMAZ界面处,且与TD方向呈45°,CNTs的加入使接头应力集中现象弱化,同时以细晶强化及载荷传递的方式使FSW-2/CNTs-Mg接头性能显著提高。
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