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铝合金fsw/fsp搅拌区组织热稳定性研究

铝合金FSW/FSP搅拌区组织热稳定性研究

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作者：李书新东北大学

学位级别：硕士

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,简称fsw)/搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,简称fsp)的原理是由轴肩和搅拌针组成的焊接工具/搅拌头高速旋转将搅拌针挤入工件,通过搅拌工具与工件表面摩擦使工件局部升温软化产生强烈塑性变... 详细信息

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,简称fsw)/搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,简称fsp)的原理是由轴肩和搅拌针组成的焊接工具/搅拌头高速旋转将搅拌针挤入工件,通过搅拌工具与工件表面摩擦使工件局部升温软化产生强烈塑性变形和充分混合,并通过动态再结晶过程形成具有细晶组织特征的焊缝区/加工区(又称搅拌区)。一般情况下,铝合金fsw/fsp搅拌区的细晶组织在高温条件下(例如焊后热处理和电弧焊修复)热稳定性相对较低,容易发生晶粒异常长大(Abnormal Grain Growth,AGG)现象,势必会导致搅拌区金属力学性能的恶化,降低搅拌区的强度、疲劳性能、超塑性及耐蚀性。因此,如何提高搅拌区晶粒结构的热稳定性成为fsw/fsp研究领域的热点之一。当前,对于细晶结构在高温条件下发生AGG现象的成因尚不完全清楚,未有统一定论。本文对三种典型铝合金fsw/fsp搅拌区在不同高温条件下的微观组织特征和晶粒长大行为进行实验研究,并分析讨论了影响铝合金fsw/fsp搅拌区晶粒结构热稳定性的关键因素。利用fsp方法对电弧增材制造(WAAM)成形的5356合金直壁墙进行改性,粗大的沉积态组织转变为细小的等轴晶组织,继续在搅拌区(改性区)上方熔敷堆积一层金属时,轴肩影响区和过渡区发生重熔,凝固后形成沉积层;轴针影响区在热循环过程中达到的峰值温度较高,发生明显晶粒长大/晶粒异常长大;而涡流区在热循环过程中达到的峰值温度较低,微观组织无明显变化。在电弧增材过程中施加强制冷却,能有效降低峰值温度,抑制轴针影响区的晶粒长大/晶粒异常长大行为;此外,随着fsp转速(热输入)的增加,轴针影响区再结晶程度增加,搅拌区组织热稳定性提高。分别将WAAM+层间fsp工艺成形的5356合金试样进行不同条件的退火处理,利用微观组织表征手段观察和分析了搅拌区不同微区的微观组织特征和晶粒长大行为。350℃×30 min退火条件下,仅轴肩影响区的表层观察到了 AGG特征,轴针影响区和涡流区的细晶组织稳定;400℃×30 min退火条件下,在轴肩影响区和涡流区都观察到了 AGG特征,这两个区域异常长大的晶粒生长方向均指向搅拌区中部,当退火温度≥450℃时(退火时间=30 min),搅拌区被异常长大晶粒覆盖,以上结果表明:搅拌区不同微区的组织热稳定性从高到低的排序为:轴针影响区>涡流区>轴肩影响区;400℃退火不同时间(1 min-20 min)的实验结果也证明了搅拌区的轴肩影响区和涡流区的组织热稳定性相对较低。EBSD分析结果表明,搅拌区从表层到底部的组织不均匀性是导致各微区热稳定性差异的关键因素。轴肩影响区的极表层在焊接过程中经历最高温度和最大应变,晶粒细小,为再结晶和晶粒长大提供较大的驱动力,同时含有高密度的亚晶结构,因此在高温条件下率先发生再结晶;涡流区在fsp过程中受到基板的散热作用,晶粒细小且亚晶结构密度仅次于表层,因此其热稳定性也较低;由细晶组成的轴针影响区晶粒尺寸均匀,亚结构密度较低,完全再结晶的组织比例较大,因此其热稳定性最好。对42 mm厚6082-T6铝合金fsw搅拌区进行MIG补焊后,搅拌区晶粒尺寸随MIG补焊位置距离的减小略有增大,但晶粒仍保持等轴状。主要由于距离MIG焊缝越近,搅拌区受到电弧热循环的影响越大,但晶界上存在的第二相粒子对晶界产生了钉扎作用,因此搅拌区晶粒未发生异常长大。在焊速30 mm/min,主轴转速分别为1200 rpm(低热输入)和1500 rpm(高热输入)的条件下对6 mm厚7075-T6铝合金板材进行对焊,并在485℃和500℃下(固溶时间=60 min)进行固溶处理,低热输入的接头分别经过固溶处理后,轴肩影响区的表层均发生异常晶粒长大,而高热输入的接头各区组织均稳定。主要由于焊态下低热输入接头的轴肩影响区晶界上第二相粒子尺寸较小且数量多,在固溶过程中发生溶解,造成阻碍晶粒长大的钉扎力减小;而高热输入接头轴肩影响区晶界上第二相粒子尺寸较大且数量少,在固溶过程中溶解较少。此外,低热输入接头轴肩影响区的晶粒尺寸比高热输入接头的更细小,也是发生AGG的可能原因。因此,较高焊接热输入的接头搅拌区组织热稳定性更高。

关键词：铝合金 fsw/fsp 搅拌区组织热稳定性异常晶粒长大

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