耐磨堆焊板属于什么材质（堆焊耐磨钢板）

铝/镁（Al-Mg）异种金属零件为制造多功能轻型结构提供了众多思路。然而，铝合金与镁合金的焊接通常在Al-Mg界面形成有害的金属间化合物（IMCs）。尽管搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固态焊接工艺，能够获得良好且无缺陷的Al/Mg合金接头，然而焊缝中却不可避免形成IMCs，这一直是制约异种金属接头性能的主要因素。

为了抑制IMCs的产生，并进一步提高接头强度，人们研究了热源辅助FSW、冷却辅助FSW、超声振动辅助FSW等FSW工艺变种。已有研究证明超声振动辅助FSW工艺具有抑制IMCs层生长、促进熔核区（WNZ）内材料流动、增强Al-Mg合金间机械联锁等优点。然而，超声振动与FSW工艺变量相互作用的潜在机制仍缺乏明确的解释，尤其是IMCs层的减薄机制。

针对这一问题，2022年7月5日，山东大学材料液固结构演变与加工实验室赵俊杰（音译）、武传松等人撰写的Ultrasonic vibration-induced thinning of intermetallic compound layers in friction stir welding of dissimilar Al/Mg alloys在Science and Technology of Welding and Joining期刊上发表，本文为了更好地了解IMCs的形成过程，并试图解释超声振动对IMCs厚度的减薄机理，分别采用FSW和超声振动强化搅拌摩擦焊（UVeFSW）对接焊接铝合金和镁合金。在焊接过程中测量了WNZ内、外的温度，焊后采用透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）对IMCs层及其周围晶粒的微观结构进行了表征和分析。通过对比超声振动前、后IMCs层及其周围显微组织的变化，探讨超声振动对IMCs层的作用机理。研究结果表明，UVeFSW中IMCs厚度显著降低，由于工具/工件界面的测量温度远低于共晶点，因此，IMCs是通过现有焊接条件下对接接头的固态原子扩散产生的。超声振动提高了IMCs层两侧的晶粒再结晶程度，促进了位错的消耗，从而降低原子的扩散速率。因此，UVeFSW抑制了IMCs层的生长。

图1 Al/Mg异种金属的FSW和UVeFSW示意图及TEM取样位置图

图2 热电偶放置位置示意图：（a）在刀具/工件界面上；（b）在镁板上

原文链接：

https://doi.org/10.1080/13621718.2022.2096346

结果与讨论：

由图3可知，传统FSW接头中Al/Mg结合界面上IMCs层包含两个子层。根据TEM-EDS线扫描结果和电子衍射图校准，可以确定靠近Al母材的子层是Al3Mg2，靠近Mg母材附近的子层是Al12Mg17。值得注意的是，IMCs层的厚度不是恒定的，总厚度从约1μm（0.4μm+0.6μm=1μm）到约1.7μm（0.6μm+1.1μm=1.7μm）不等。这与扫描电子显微镜（SEM）观察到的结果一致，即使在相邻区域，IMCs层的厚度也会发生变化。在具有较厚的IMCs的位置，两个子层的厚度也会变大。但是，Al3Mg2层的增加程度更大（从0.6到1.1μm）。有学者指出，Al3Mg2活化能低于Al12Mg17，故而具有更快的增长率，这与本研究中的实验结果一致。需要指出的是，在如此短的距离内，单位微米内温差可以忽略不计。因此，IMCs层的厚度变化应该是由两侧材料的晶粒尺寸或局部位错密度的差异所引起的原子扩散速率的差异造成的。

对于Al12Mg17子层，由于第一层晶粒4的尺寸与长大前晶粒1几乎相同，但第二层晶粒3的尺寸与长大前晶粒2相比明显增加。这表明Al12Mg17子层厚度的增加是通过生长新的晶粒层来实现的。

对于Al3Mg2子层，由于晶界在TEM图像中不能清晰地表征，因此很难确定厚度增加是由新晶层的产生还是原始晶粒尺寸的增加引起的。然而，在TEM-EDS的结果中有一个更有趣的现象，即Al颗粒出现在Al3Mg2子层中。值得注意的是，IMCs层的边界相对平坦。有学者指出，当IMCs层通过固态扩散反应产生时，IMCs层的边界相对平坦，即几乎平行于局部界面。因此，可能是原子固态扩散导致了本研究中IMCs层的产生。

图3 （a）FSW接头中Al/Mg结合界面处IMCs层的TEM图像；（b）红色矩形的放大；（c）沿蓝色虚线的线扫描结果

图4 电子衍射图：（a-d）对应于图3中的位置1-4，（e-f）对应于图5中的位置5和6

由图5可知，与传统FSW类似，UVeFSW接头中IMCs层在也包含两个子层。通过TEM-EDS和电子衍射图案校准可以确定Al母材附近的子层是Al3Mg2（约0.34μm），而Mg母材附近的子层是Al12Mg17（约0.24μm），显然Al3Mg2子层厚度更大。UVeFSW接头中IMCs层总厚度几乎不会发生变化。但是，由于观察区域有限，只能表明局部热机械条件与超声波振动的应用更加均匀。UVeFSW接头中整个IMCs层的厚度明显低于FSW，这与SEM图像的结果一致。此外，根据不同颗粒之间的轻微对比度差异，Al12Mg17子层仅包含一层晶粒结构，例如晶粒5。由于Al3Mg2子层的晶界没有清晰地表现出来，因此很难确定包含几层晶粒结构。

图5 （a-c）UVeFSW接头中Al/Mg结合界面处IMCs层的TEM图像；（d）沿着白色虚线的线扫描结果

图6为分别采用FSW和UFEFSW焊接时测量的温度。对于刀具/工件界面检查点1和2处的温度，肩底（点1）和销侧（点2）附近的温度分别为330°C和360°C左右。两种焊接方法的测量温度之间几乎没有区别。对于WNZ外部的温度，由于在工具前施加的超声波振动，UVeFSW中的温度比在FSW中上升得更早。然而，峰值温度的差异可以忽略不计（FSW为245.8°C，UVeFSW为244.5°C）。因此，施加的超声波振动在焊接过程中没有引起温度变化，这与一些学者的观察结果一致。

无论是传统FSW和UFEFSW，最高温度都没有达到共晶温度点450°C（L→Al3Mg2+Al）和437°C（L→Al12Mg17+Mg）。而且，根据TEM表征，未发现共晶结构，IMCs层的形貌更符合原子扩散反应的特性。因此，在本研究使用的焊接参数下，FSW和UVeFSW中IMCs的形成机理为原子固态扩散反应。

图6 温度测量结果：（a）在工具/工件界面处（FSW）；（b）在工具/工件界面处（UVeFSW）；（c）在WNZ（AS）外的热循环；（d）在峰值处放大的局部温度

考虑到IMCs的形成机理是固态扩散反应，IMCs层两侧晶粒结构的演化对原子扩散速率有重要影响。因此，IMCs层两侧的晶粒结构用EBSD来表征。

图7为IMCs层附近Al合金侧的晶粒微观组织。FSW的平均晶粒尺寸为1.18μm，UVeFSW的平均晶粒尺寸为0.98μm，因此施加超声波振动略微细化了晶粒尺寸。一些再结晶晶粒符合几何动态重结晶（GDRX）的特性，并用黑色箭头标记；一些晶粒满足连续动态重结晶（CDRX）的特性，如白色虚线圆圈所示，但后者是主要机制。此外，通过施加超声波振动，晶粒重结晶程度得到改善。这是因为重结晶晶粒的面积分数fGR，在FSW中为54.2%，而在UFEFSW中增加到66.8%。

图7 靠近Al侧的IMCs层：IPF图（a，d）；晶粒形态图（b，e）；KAM图（c，f）；其中，（a，b，c）：FSW;（d，e，f）：UVeFSW

图8为IMCs层附近Mg合金侧的晶粒微观组织。FSW的平均晶粒尺寸为2.57μm，UVeFSW的平均晶粒尺寸为2.32μm，由于Mg合金和Al合金具有不同的堆垛层错能和初始晶粒尺寸，因此比Al合金侧的晶粒尺寸大得多。这里的重结晶晶粒满足不连续动态重结晶-DDRX（如黑色箭头所示）和CDRX（如白色虚线圆圈所示）的特征，且后者是主要机制。通过施加超声波振动，再结晶程度可以像Al侧一样得到改善。

图8 靠近Mg侧的IMCs层：IPF图（a，d）；晶粒形态图（b，e）；KAM图（c，f）；其中，（a，b，c）：FSW;（d，e，f）：UVeFSW

施加超声波振动导致晶粒重结晶度增加的原因可以解释如下。晶粒的重结晶过程，尤其是CDRX涉及位错运动，超声波振动可促进位错运动，从而加速了从低角度晶界（LAGBs）到高角度晶界（HAGB）的过渡。因此，超声波振动可以提高晶粒的再结晶度。在此过程中，位错也被大量消耗，因此观测区域中的KAM值在UVeFSW接头中减小。KAM值可用于指示材料变形和位错密度的均匀性。KAM值越小，位错密度越低。

从这项研究和以前的研究结果来看，可以确定的是超声波振动显著抑制IMCs层的生长。那么，超声波振动是如何做到这一点的？根据上述分析，可以确定在本研究的焊接参数条件下，Al/Mg结合界面上的IMCs层是由原子固态扩散反应产生的。因此，这个问题可以从影响原子扩散的因素的角度来讨论，例如温度、成分、晶体结构和短路扩散。

首先，WNZ内外的温度变化曲线（图6）证明了超声波振动不影响焊接温度。其次，IMCs层两侧的Al母材和Mg母材在FSW和UVeFSW中是相同的，在组成和晶体结构上没有差异。最后，短路扩散主要是指原子通过表面、界面、位错等缺陷进行的扩散。从FSW和UVeFSW的晶粒微观结构来看，晶粒尺寸的差异太小，无法对原子扩散产生显着影响。因此，常规FSW高温环境下的晶格扩散、边界扩散和表面扩散之间的差异可以忽略不计。然而，由于扩散活化能较小，焊接过程中产生的位错量可以显着促进扩散速率。超声波振动对位错运动有显著影响。因此，位错密度是影响原子扩散速率的关键因素。

超声波振动通过促进位错的运动、重排和聚集来加速HAGB的产生，并且还消耗更多的位错。同时，它还可以促进偶极子湮灭。因此，当施加超声波振动时，位错密度降低。通过对比图7和图8中的KAM图像，表明超声波振动确实降低了IMCs层周围的位错密度。由于随着扩散通道的位错密度减小，Al/Mg原子的扩散速率降低，IMCs的生长受到抑制。值得注意的是，这种解释在某种程度上仍然是基于推测的，因为超声波振动与FSW热机械过程的相互作用及其对IMCs生长的影响非常复杂。它需要在下一步中进一步调查。

本项目获得了国家自然科学基金项目的资助。