由于比强度较高,导电导热性好,铝合金在工业制造领域的应用十分广泛。然而,铝合金的焊接性能较差,采用传统的熔化焊接方法进行焊接时,焊缝内部容易出现气孔、夹杂,接头也常伴有变形和软化;而在对高强度铝合金进行室温成形时,其塑性较低,回弹严重,增加了制造精密零件的难度,这些问题限制了铝合金的进一步应用发展。搅拌摩擦焊接是一种先进的固相连接技术,可以解决铝合金的焊接问题;搅拌摩擦加工技术是在搅拌摩擦焊接基础上发展而来的,利用此技术可以细化铝合金组织,提高材料塑性,从而实现铝合金精密零件的制造。因此,研究搅拌摩擦加工/焊接铝合金的微观组织和力学性能具有重要的理论意义和应用价值。本文首先研究了 7B04铝合金的搅拌摩擦加工,获得了以下结果:(1)对不同初始状态的7B04铝合金进行搅拌摩擦加工,结合Gibbs-Thomson定律和热力学原理解释了不同初始状态下,铝合金基体内的沉淀强化相在加工过程中的演变行为,并分析了沉淀强化相与搅拌区域性能的关系。当7B04铝合金处于人工时效和自然时效状态时,基体内的沉淀强化相尺寸细小,稳定性较差,在搅拌摩擦加工的过程中,搅拌区域内发生了沉淀强化相的回溶,沉淀强化作用减弱,搅拌区域发生软化;而当7B04铝合金处于退火状态时,基体内的沉淀强化相尺寸粗大,稳定性较好,在搅拌摩擦加工过程中,搅拌区域内沉淀强化相的改变不显著,沉淀强化作用的变化有限,细晶强化提升了搅拌区域的性能。(2)与空气冷却条件下制备的搅拌区域相比,采用水雾冷却可以实现搅拌区域晶粒的进一步细化,但水雾冷却对于搅拌区域性能的作用受到材料初始状态的影响:当对人工时效状态的7B04铝合金进行搅拌摩擦加工时,水雾冷却对沉淀强化相演变的影响不明显,搅拌区域的性能未发生显著变化;当对退火状态的7B04铝合金进行加工时,水雾冷却可以抑制沉淀强化相的粗化,并提升搅拌区域的性能。(3)通过改变搅拌针移动距离的方式对退火态7B04铝合金进行三道次搭接搅拌摩擦加工。当搅拌针移动距离较小时,前续道次加工制备的组织会在后续道次的加工过程中发生过时效,引起性能下降;而增大搅拌针的移动距离可以减少各道次之间的相互影响,通过提高搅拌头的旋转速度可以优化搭接区域的组织性能。其次,对5083铝合金进行三道次原位复合搅拌摩擦加工,获得如下结果:(1)在原位复合搅拌摩擦加工过程中,搅拌区域的组织和性能会随着材料初始状态的不同发生变化。对于退火态5083-O铝合金,单道次加工后的搅拌区域由于晶粒细化,性能上升。第二道次加工后,搅拌区域的晶粒更加细小,性能也得到了进一步提升,后续加工道次不再对其组织性能产生影响。对于冷轧态5083-H铝合金,单道次的搅拌摩擦加工即可使搅拌区域达到稳定状态,后续加工道次不再对其组织性能产生影响。与母材相比,由于位错密度降低,5083-H铝合金的搅拌区域发生了软化,但塑性提升显著,综合性能较好。(2)将三道次原位复合搅拌摩擦加工制备的5083-H铝合金的搅拌区域组织在高温下保温不同时间,并检测搅拌区域组织的高温稳定性。采用经典的Humphreys晶粒长大动力学理论可以较好地解释并预测晶粒在高温下的长大行为。研究发现,提高旋转速度会增加搅拌区域组织的高温稳定性,这与晶粒受到的相对“钉扎力”有关:晶粒尺寸随着旋转速度的提高而增加,而相对“钉扎力”随着晶粒尺寸的增大而提升。相对“钉扎力”的提升可以提高搅拌区域组织的高温稳定性。随着保温时间的增加,晶粒异常长大区域逐步扩展。增加加工道次虽然不能阻止晶粒异常长大的发生,但增加加工道次可以提高搅拌区域组织的均匀度,从而抑制异常长大区域的扩展。第三,对5083-0铝合金和具有不同初始状态的7B04铝合金进行异种铝合金的搅拌摩擦焊接,并研究了焊接过程中金属的流动和接头的组织性能:(1)位于前进侧的5083铝合金会在焊接过程中向后退侧转移,其转移的数量随着后退侧7B04铝合金强度的上升而降低。金属存在剪切流动和滑动流动两种方式,当金属强度较高,搅拌针所提供的剪切力不足时,金属将滑动流动;反之,金属将剪切流动。(2)在异种铝合金的搅拌摩擦焊接过程中,焊接材料之间原子的扩散现象不明显,焊接接头的断裂位置受到焊接缺陷和金属强度的影响;对于无缺陷的焊接接头,断裂发生在低强度金属一侧的母材区域,而当焊接接头存在缺陷时,断裂位置会转移至焊核区域。原位复合搅拌摩擦加工可以促进焊核区域金属的进一步混合,焊核区域的性能随着其内部高强度金属所占比例的增加而提升。最后,研究了搅拌摩擦焊接2024铝合金的焊核区域在不同时效状态下的组织性能。结果表明:当采用较低的焊接热量进行焊接时,焊核区域的硬度主要受到旋转速度的影响,并随着旋转速度的提升而升高;当焊接热量较高时,硬度主要受到焊接速度的影响,随焊接速度的降低而下降。自然时效状态下,焊核区域的性能主要由基体内GP区的数量控制,GP区数量越多,其性能越好。在长时间的二次人工时效后,焊核区域发生过时效现象,性能降低。焊核区域的抗过时效能力与沉淀强化相的形貌和数量有关,当沉淀强化相尺寸细小且数量较多时,焊核区域的抗过时效能力较强;反之,其抗过时效能力较弱。