焊后热处理对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头力学行为的影响

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7050铝合金凭借其优良的综合性能被广泛应用于航空航天及轨道交通等领域,搅拌摩擦焊技术是其常用的焊接技术。然而由于热和机械搅拌的作用,搅拌摩擦焊接头具有明显的微观组织不均匀性,导致接头各个区域力学性能相差悬殊,这种不均匀性对接头服役安全性和可靠性产生很大影响。因此有必要对焊接接头的组织不均匀性进行研究,并探讨适当的解决方法。进行了6种焊接参数的搅拌摩擦焊接试验,通过光学显微镜,扫描电镜和透射电镜对接头微观组织进行观测,并进行硬度和拉伸试验,研究发现:随着焊接热输入的增大,搅拌区(the Stir Zone,SZ)晶粒尺寸增大,接头的拉伸性能变差,拉伸试件均断裂于热影响区(the Heat Affected Zone,HAZ),断口表面含有较多破碎的粗大第二相;接头硬度分布不均匀,6种接头硬度最低处均为HAZ,HAZ中沉淀相发生了粗化且晶界的沉淀无析出带宽度相比于母材增大了25倍。对6种接头进行焊后热处理,通过上述相同的微观组织观察和力学性能试验,结果表明:接头各个区域的沉淀相发生了溶解和重新弥散析出,接头各个区域的硬度均达到165 HV3以上,硬度不均匀性基本消除;接头的屈服强度和抗拉强度相比于焊态接头分别提升了51.2%和31.4%以上,拉伸断口中粗大第二相的比例从高于1.91%降至0.67%以下;热处理后SZ的等轴晶粒会发生异常晶粒长大现象,焊接热输入较大时,晶粒长大的面积较小,热处理态接头拉伸试件均断裂于发生异常晶粒长大的SZ,SZ为热处理态接头的薄弱环节。利用超声疲劳试验装置(频率为20k Hz)对热处理前后的接头进行超高周疲劳试验,利用扫描电镜对疲劳断口进行观察,结果表明:经过热处理,接头的疲劳强度得到一定提升,当疲劳寿命为10~7、10~8和10~9时,热处理态接头疲劳强度相比于焊态接头分别提升了11.2%、16.7%和25%;对热处理前后疲劳试件断裂位置进行统计发现,焊态接头疲劳试件多数断裂在HAZ,疲劳裂纹起源于HAZ内部粗大第二相所在位置;而对于热处理态接头,疲劳试件多数断裂于SZ,SZ内部异常长大的晶粒会成为潜在的疲劳裂纹源。
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