对搅拌摩擦焊T型2014-T651航空铝合金的微观组织的研究

肖含月

（重庆电子工程职业学院智能制造与汽车学院，重庆 400044）

对于航空航天工业来说，未来飞机的主要结构需要实现轻量化、低成本、更长的使用寿命和更高的安全性。搅拌摩擦焊T型2000系铝合金由于其独特的形状结构、优异的性能特征被广泛应用于交通运输业中。在工程设计中，航空材料由于处于复杂的应力和多变的环境中，材料的力学性能是首要考虑的问题[1-3]。研究表明，材料的力学性能很大程度上取决于材料的微观组织，因此，对T型2000系铝合金材料微观组织的研究是有必要的。

搅拌摩擦焊2000系铝合金连接件的微观组织包含搅拌区、热影响区(、热机影响区、和母材区。在微观组织的研究中，粉末是实验室中分析材料晶体结构常用的分析方法。它可以提供材料晶体结构内部的许多基本信息，包括晶体结构、晶粒尺寸、织构和杂质等各种信息。

1 实验部分

表1为本实验选用试样的化学组成成分。本实验的热处理方案是：升温（400℃和535℃），保温（7小时），炉冷（20小时）。

表1 2014-T651铝合金的化学成分表(wt%)

在测试中，采用a650型光学显微镜观察试样；使用220切割仪进行切割，将原始样本切成更小的试样（15mm4mm6mm）。使用试剂（H2O ：HNO3：HCl：HF=190：5：2：3）对试样进行腐蚀。采用8射线粉末衍射仪分别对样品进行XRD测试和In-situXRD测试。所有样品采用同样的测试参数：8，1，10)，测试样品的4个区域（SZ，HAZ，TMAZ，BM）。在In-situXRD测试中，每个样品测试4个温度循环，依次是20℃，35℃，100℃，250℃，400℃，550℃，400℃，250℃，100℃，35℃。

2 结果和讨论

2.1 光学显微镜

图1是热处理前T型铝合金2014-T651的显微组织图，其中，图1a和图1b是的典型焊后形貌图。可以看出，其他区域有清晰的界面，且区域内塑性变形部分的形貌像“洋葱圈”。区域靠近焊接线，其中的晶粒在焊接过程中由于应力的作用发生了旋转和变形（图1b）。远离焊接线的区域里的晶粒在焊接前后没有发生太大变化（图1c)）。在焊接过程中，由于温度升高，SZ区域的晶粒发生了再结晶，通过快速冷却得到了细小等轴晶粒（图1d）。

图2是样品4个特征区域热处理后(535℃)的显微组织图。测试表明，热处理后，所有晶粒尺寸都增大了，其中，S区域的晶粒远远大于其他区域的晶粒(图2a)，转换区)中的晶粒仍然比图1中的晶粒要大，(图2b，在区域中，热处理条件(535可以让所有细小等轴晶粒发生再结晶从而变成大晶粒。然而，在研究区域，晶粒在升温的作用下仅仅发生了轻微的回复再结晶。

图1 热处理前T-shape2014-T651铝合金的OM图：(a)TMAZ和SZ交界全貌(1000um)(b)TMAZ和SZ交界处(200区域伸长的晶粒(200u区域的细小等轴晶(200um)

图2 (和交界处(转换区示意图

根据能量最低原则，再结晶会导致大量空洞和空位在晶界聚集，从而为第二相析出提供了理想的位置。

2.2 X射线衍射和In-situXRD

2.2.1 晶格常数（LP)

图3展示了热处理前后(535℃)晶格常数明显的变化。对没有热处理的样品来说(红柱)区域的晶格常数是所有区域中最小的。然而，热处理后区域的由于晶粒再结晶变大甚至超过了区域和转换区的指数。

图3 热处理前后的平均晶格常数

2.2.2 织构变化

在XRD图形中，每个角度的晶面数量由对应的峰高数值决定，因此可以在XRD图形中观察晶体织构在热处理前后的变化。即使SZ和BM区域的XRD峰位几乎没有差异（均为铝元素的特征峰），但SZ区域的织构变化比BM区域明显得多。SZ铝元素的特征峰值由2630.15(44.6480°)变化为10157.09(44.7599°)，而BM铝元素的特征峰值只发生了轻微变化。XRD测试结果表明，热处理对SZ区域织构变化的影响比其他区域都要明显。第一个原因是与焊接材料本身有关，受焊接时许多因素的影响如热量吸收、压力等，焊后材料本身会有不同的晶粒结构。第二，热处理过程中SZ区域的晶粒再结晶可能是导致明显织构变化的另外一个原因。

2.2.3 In-situ热循环中的峰变化

在In-situ热循环中，TMAZ/HAZ/BM区域的峰随着温度的变化有相似的变化趋势。在半个热循环中峰的变化。总的来说，BM区域所有的峰都随着温度的升高而左移，峰高也随着温度的升高而降低。以图中的低角度峰为例，在加热过程中，2θ由38.5°下降为37.9°(峰位左移)，这意味着衍射峰随着温度的升高向低角度移动。由布拉格方程(Eq.1)：

晶面间距(d)和衍射角(θ)成反比。因此，晶面间距随2θ的降低而增大。换句话说，样品随温度的升高而膨胀。

3 结论

通过光学显微镜和XRD分析，原始搅拌摩擦焊T型铝合金2014-T651具有典型的FSW特征，与TMAZ/HAZ/BM区域相比，SZ区域中的晶粒具有明显的等轴细小特征。热处理后各区域晶粒尺寸均增大。

由于再结晶，SZ区域晶粒尺寸超过其它区域，晶粒优先取向，[002]面峰高约为未加热试样的5倍，而其它区域的织构变化不大。In-situXRD测试结果表明，随着热循环的进行，晶粒尺寸呈周期性变化，且随着温度的升高试样发生膨胀。