中间层Ni对TC4/2A14异种金属搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

张鑫，吴鸿燕，陈玉华，陈保国

中间层Ni对TC4/2A14异种金属搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

张鑫1,2，吴鸿燕3，陈玉华2*，陈保国1

（1.常州工程职业技术学院 智能制造学院，江苏 常州 213164；2.南昌航空大学航空制造学院，南昌 330063；3.九江职业技术学院 船舶工程学院，江西 九江 332007）

添加0.05 mm厚的Ni箔作为中间层，对3 mm厚的TC4钛合金和2A14铝合金进行搅拌摩擦焊，分析Ni对接头力学性能的影响。采用扫描电镜、EDS能谱及XRD衍射等微观表征分析方法，对焊接接头的断口形貌、成分进行分析，探究Ni箔对焊接接头力学性能的影响。由于钛合金和铝合金存在较大的物理化学性能差异，Ti/Al异种金属焊接性较差，界面容易产生TiAl3、TiAl、Ti3Al等金属间化合物，其中脆性相TiAl3对接头性能的影响最大，会导致综合力学性能下降。当加入中间层材料Ni后，由于Ni与Al晶体结构均属于面心立方，因此Ni与Al的扩散系数大于Ti与Al的扩散系数，Ni和Al之间优先形成金属间化合物且弥散分布于焊缝中，从而缩短了Ti与Al之间的相互扩散时间，减少了TiAl3相的生成。在未添加中间层材料时，接头平均抗拉强度为237.3 MPa，约为2A14铝合金母材抗拉强度的56.7%；当添加中间层Ni后，对焊缝中金属间化合物的种类和数量进行了调控，减少了对性能影响最大的TiAl3相的生成，接头平均抗拉强度达到285.3 MPa，为2A14铝合金母材抗拉强度的68%。

Ti/Al接头；搅拌摩擦焊；中间层材料；金属间化合物；力学性能

钛铝异种金属的连接可以充分发挥2种金属的优势，得到的异质构建不仅具有很好的耐蚀性、耐磨性以及较高的比强度，还能减轻结构重量[1-3]，在新能源汽车制造、海洋工程等领域具有广泛的应用[4-5]。由于钛合金和铝合金的物理化学性能存在较大的差异，焊缝中极易形成脆性金属间化合物而降低接头力学性能[6-8]。吴新勇等[9]研究了TC4钛合金与AA6060铝合金的激光搭接焊，研究表明，焊缝产生了裂纹，分析认为是因为焊缝中形成了大量TiAl、TiAl3等金属间化合物，导致接头的脆性提高。Jiang等[10]对TC4钛合金与5083铝合金进行了激光对接焊，结果发现，在焊后的Ti/Al接头中同样出现了裂纹。李永梅等[11]研究表明，焊接过程中的热输入会直接影响焊缝中金属间化合物的种类和数量，但是控制热输入对工艺的要求较高，这为企业的实际生产带来了不便。为了减少焊接过程中的热输入，越来越多的学者采用电阻点焊、超声波焊、搅拌摩擦焊等固相焊方法对钛/铝连接进行研究。高原等[12]对0.2 mm厚的TC4和2A12薄板进行了微电阻点焊研究，发现接头断裂形式仍以脆性断裂为主。朱政强等[13]对0.3 mm厚的6061铝合金和TC4钛合金进行了超声波焊接，研究表明，当焊接时间为170 ms、焊接压力为0.4 MPa时，得到了最大抗裂强度113 N，通过显微分析发现，焊缝区域硬度明显提高，铝合金和钛合金区域元素扩散层厚度约为0.4 μm。戈军委[14]对3 mm的TC4和2A14铝合金搅拌摩擦焊进行了研究，经SEM、XRD、TEM分析发现，TiAl3脆性相以Ti/TiAl3/Al相间分布的形式分布在钛颗粒基体或者钛颗粒与铝基的交界处，严重影响了接头的力学性能。为了控制Ti/Al接头中的金属间化合物，越来越多的研究者通过添加过渡材料的方式对金属间化合物进行调控。陶诗伟[15]、陈纪宇[16]、倪加明等[17]、张鑫等[18]均通过添加过渡材料的方式得到了性能较高的Ti/Al接头。本文选择与Al具有相同晶体结构且具有良好焊接性及综合性能的Ni作为填充层材料，探讨了Ni对金属间化合物的影响，以期为提高Ti/Al异种金属接头性能提供一定的借鉴意义。

1 试验

以200 mm×80 mm×3 mm的2A14铝合金（T4态）和TC4钛合金为材料，将0.05 mm箔状中间层夹置于两板中间，如图1所示，将铝合金置于返回边[19]。搅拌头轴肩为18 mm，电火花加工深度为0.55 mm，搅拌针直径为6 mm，针长为2.6 mm，采用左螺纹。采用Kroll试剂（1 mL HF+1.5 mL HCL+2.5 mL HNO3+ 24 mL H2O）对接头进行腐蚀，并使用装配有EDS的Quanta 200环境扫描电子显微镜和D8X射线衍射仪对接头的不同区域进行元素分析和成分分析。

图1 焊接装配图

2 结果与讨论

2.1 试验结果

不添加任何中间层材料的情况下，对TC4钛合金和2A14铝合金进行搅拌摩擦焊，当转速为375 r/min、焊速为75 mm/min、下压量为0.2 mm、焊接角度为2°时，接头的抗拉强度最高，为237.3 MPa，约为2A14铝合金母材抗拉强度的56.7%。断口形貌及采样区内能谱分析结果如图2所示。由图2a可知，断面光滑平整，未产生韧窝形貌，在Ti-Al金属间化合物作用下发生了脆性断裂。

接头横截面宏观形貌如图3所示。可以看出，在搅拌针的作用下界面呈弧形不规则状，且在“抽吸-挤压”作用下，钛颗粒随搅拌针的旋转以“洋葱环”状分布于焊缝中形成了焊核。由于搅拌摩擦焊属于固相连接，焊接过程中的温度较低，熔点较高的中间层Ni未熔化，而是以颗粒状形态呈环状分布于焊缝中，因此，底部存在未受搅拌针影响而发生破碎的Ni。

图2 断口形貌及采样区内能谱分析

图3 接头横截面宏观形貌及各区域放大图

断口的SEM图如图4所示。将断口分为2个区域以便于分析：接头下部区域E和上部区域F。由图4a可知，断口下部区域E呈“峡谷”状，上部区域F相对平整。由图4b可以看出，区域E左侧出现了一条“亮带”，且“亮带”与左侧结合界面处出现了孔洞缺陷，但与右侧金属结合致密，此区域的断裂表面光滑，属于脆性断裂。由图4b可以看出，断口部分区域有明显的撕裂棱和韧窝，为韧性断裂。综上，当添加中间层材料Ni后，接头断裂方式为韧性+脆性混合断裂，兼具了一定的韧性和强度，综合力学性能较好。

对断口不同区域进行EDS分析，结果如图5所示。由图5a的能谱分析数据可知，“亮带”含有少量Ti，但主要元素为Ni，说明“亮带”应为夹置于钛合金和铝合金中间的Ni，由前文接头横截面宏观形貌分析可知，焊缝底部存在部分未受搅拌针影响而留存于钛合金和铝合金中间的Ni，且此部分Ni与铝合金侧结合致密，而与钛合金侧存在缺陷，因此，在进行拉伸试验时，Ni与钛合金侧断裂，在断口呈现“亮带”状。如图5b所示，经放大后的韧窝浅而小，且韧窝中存在大小不一的颗粒物，由图5e的能谱结果可知，韧窝中的颗粒物由Al、Cu、Si、Ti等元素组成，由元素峰值强度可推断出颗粒物中的Ti元素含量较少，应不属于Ti-Al化合物，母材2A14铝合金为Al-Cu系铝合金，主要化学元素为Al、Cu、Si，故颗粒物应是Ti与2A14铝合金在焊接过程中因受热量影响而析出的强化相混合物，采样点2的测试结果说明非颗粒物为母材铝。由图5c可以看出，Ni与Al界面产生了Ti-Al化合物，初步分析应为Ti3Al相。Ni带右侧本应为母材铝，但线扫结果显示，Al元素和Ti元素都很少，而Ni元素强度稳定，且延伸至母材铝内。这说明加入的中间层材料Ni箔片确实阻碍了钛/铝界面金属间化合物的产生。由图5f可知，图5d中颗粒状物质Ti、Al的原子比约为1︰1，应属于TiAl相，而V为TC4钛合金的主要合金元素，Cu、Si为2A14铝合金的主要合金元素，因此，颗粒物应为TiAl相与TC4钛合金的混合物。

图4 断口扫描电镜图

图5 断口形貌及能谱分析

添加中间层Ni后接头的XRD图谱如图6所示。可知，加入中间层材料Ni后，Ni对金属间化合物的形成起到了一定的调节作用，产生了较多塑性优于Ti3Al的TiAl相，在一定程度上提高了接头的力学性能。

图6 添加中间层Ni后接头XRD图谱

2.2 调控机制分析

Ti-Al二元系统反应Gibbs自由能曲线如图7所示[20-21]。可知，在600 K以下时，各相按自由能由高到低的顺序依次为：Ti3Al相、TiAl相、TiAl3相、Ti2Al5相、TiAl2相。自由能越高，说明此种化合物越不稳定，越容易生成其他相，反之则越稳定且越容易获得。由Ti-Al二元相图可知，TiAl2和Ti2Al5相为中间产物TiAl相经固相反应后而获得的，因此，在Ti和Al原子互扩散时，初生相应为TiAl3相，这一结果被Xu等[22]使用的MEHF理论模型所验证，他们计算出的金属间化合物形成顺序为TiAl3→TiAl→Ti3Al。

为分析Ni对钛/铝接头金属间化合物的调控机理，假设焊接过程中被焊工件在厚度方向还未发生金属流动，对搅拌针前沿的一瞬态进行研究。搅拌针前沿瞬态模型图如图8所示。在焊接热输入的作用下，可将搅拌针前沿Ti和Al的连接视为扩散焊。

图7 不同Ti-Al金属间化合物的自由能与温度关系曲线

图8 搅拌针前沿瞬态模型图

Askew等[23]研究表明，当不同原子之间发生互扩散时，影响扩散过程的重要影响因素之一为晶体结构，结构越相似则原子互扩散越容易。TC4钛合金为密排六方+体心立方结构，而Ni与Al晶体结构均属于面心立方，说明Ni与Al之间更容易发生原子互扩散，并形成如下的冶金反应：3Al+Ni→Al3Ni，又由于Al3Ni相不稳定，因此发生Al3Ni+Ni→Al3Ni2反应后，形成了稳定的Al3Ni2相，且Al3Ni2相被搅拌后弥散分布于焊缝中，增强了接头强度。在Al和Ni发生原子互扩散的过程中，需要一定的激活能，而当搅拌摩擦焊接过程达到稳定状态时，接头中的总能量保持平衡，使Ti和Al原子互扩散时可用的能量减少，即对接头影响较大的脆硬TiAl3相会减少。综上，中间层材料Ni的加入会使Ni先于Ti与Al生成金属间化合物，且形成的少量Al-Ni金属间化合物弥散分布于焊缝中。当Ti与Al互扩散时，Ti向Al中的扩散能力更强[24-25]，故在接头中整体热能被Al与Ni的互扩散消耗的情况下，产生的TiAl3相会减少。

3 结论

1）当未加入中间层Ni时，接头的抗拉强度最高为237.3 MPa，约为2A14铝合金母材抗拉强度的56.7%。加入中间层Ni后，平均抗拉强度为285.3 MPa，达到2A14铝合金母材抗拉强度的68%。

2）由于Al与Ni之间的扩散系数较高，因此Al-Ni金属间化合物优先形成，并消耗了部分焊接过程中产生的热能，导致Ti与Al之间可用的扩散能减少，从而减少了脆性TiAl3相的生成。

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Effect of Ni Interlayer on Microstructure and Properties of TC4/2A14 Dissimilar Metal Joints Welded by Friction Stir Welding

ZHANG Xin1,2, WU Hong-yan3, CHEN Yu-hua2*, CHEN Bao-guo1

(1. School of Intelligent Manufacturing, Changzhou Vocational Institute of Engineering, Jiangsu Changzhou 213164, China; 2. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 3. School of Shipbuilding Engineering, Jiujiang Vocational and Technical College, Jiangxi Jiujiang 332007, China)

The work aims to analyze the effect of Ni on the mechanical properties of the joint by adding 0.05 mm thick Ni foil as interlayer and weld 3 mm thick TC4 titanium alloy and 2A14 aluminum alloy by friction stir welding. Scanning electron microscopy, EDS spectroscopy, and XRD diffraction micro characterization analysis methods were adopted to analyze the fracture morphology and composition of welded joint and explore the effect of Ni foil on the mechanical properties of the welded joint. The weldability of Ti/Al dissimilar metals was poor due to the significant differences in physical and chemical properties between titanium alloy and aluminum alloy, and the intermetallic compounds such as TiAl3, TiAl, and Ti3Al were easily generated at the interface, in which the brittle phase TiAl3had the greatest impact on the joint performance, leading to a decrease in overall mechanical properties. After the interlayer Ni was added, due to the fact that both Ni and Al crystal structures were the face centered cubic structure, their diffusion coefficient with Al was higher than that of Ti and Al, leading to the preferential formation of intermetallic compounds between Ni and Al and their dispersion in the weld seam, thereby reducing the mutual diffusion time between Ti and Al and the generation of TiAl3phase. The average tensile strength of the joint is 237.3 MPa, which is about 56.7% of that of the 2A14 aluminum alloy base material without interlayer material. On the other hand, the type and quantity of intermetallic compounds in the weld seam are regulated, reducing the generation of TiAl3phase that has the greatest impact on performance, and making the average tensile strength of the joint reach 285.3 MPa, which is 68% of the tensile strength of the 2A14 aluminum alloy base material after the interlayer Ni is added.

Ti/Al joint; friction stir welding; interlayer material; intermetallic compounds; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.016

TG146.2；TG453+.9

A

1674-6457(2023)011-0140-07

2023-07-26

2023-07-26

国家自然科学基金（52175326，51865035）；江西省科技奖后备培育项目（20212AEI91004）

National Natural Science Foundation of China (52175326, 51865035); Jiangxi Provincial Science and Technology Award Reserve Cultivation Project (20212AEI91004)

张鑫, 吴鸿燕, 陈玉华, 等. 中间层Ni对TC4/2A14异种金属搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 140-146.

ZHANG Xin, WU Hong-yan, CHEN Yu-hua, et al. Effect of Ni Interlayer on Microstructure and Properties of TC4/2A14 Dissimilar Metal Joints Welded by Friction Stir Welding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 140-146.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨