王字等：A-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc)合金搅拌摩擦焊接头组织和性能 615 (a) (b) 224 2.2A-Zn-Mg-C-Zr-(Sc)合金FSW接头的金 200 GPI 220* A022 相组织 020: 图4为光学显微镜下观察到的2#合金焊接接 GPI 头横截面形貌，1#合金焊接接头因具有相同特征 0011 111]· 而未列出.如图4(a)所示，焊缝形状呈现为典型 (d) “盆型”，其中上表面为搅拌头插入面，对应焊缝区 200 420224 最大宽度.根据焊缝不同区域的组织特征， ●-020： ●022 FSW接头可以划分为四个区域，如图4(b)所示， 居于焊缝中心的焊核区(Weld nugget zone,.WNZ), T0011 [111] 热与机械力耦合作用下的热力影响区(Thermal-- 图2A-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc)合金母材的选区电子衍射花样.(a,b) mechanical affected zone,TMAZ),单纯热影响区 1#合金：(c,d)2#合金 (Heat-affected zone,.HAZ),以及母材区(Base material,. Fig.2 SAED patterns of base material for Al-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc) BM) alloys:(a,b)Alloy 1#;(c,d)Alloy 2# 图5为1#和2#合金FSW接头的金相显微组 织.由图5(a)和5(b)可见，WNZ区的晶粒形态为 均匀、细小的等轴晶，其组织特征呈现为典型的动 态再结晶组织.Benavides等7、Sato等ls)、Mahoney 等191在研究2024合金、6063-T5厚板、7075-T7651 合金的SW接头组织中观察到相同的结果，焊核 区组织在经历了比较集中的摩擦热冲击后发生了 动态再结晶.图5(c)和5(d)所示为WNZ近邻区 域TMAZ的显微组织照片，图中蓝线标出了两个 区域的边界，由图可见，WNZ和TMAZ的晶粒形 200 nm 态与尺寸存在明显差异，后者的晶粒呈现为被拉 图3A-Zn-Mg一Cu-Zr-(Sc)合金母材的品内和品界析出相.(a,b) 长的变形态，随搅拌头旋转方向有明显的流动取 1#合金：(c,d)2#合金 向.TMAZ是搅拌摩擦焊接接头特有的区域，区别 Fig.3 Precipitates distributed in the grain and along the boundary of the 于其它任何焊接方法的接头组织，主要是由于其 base material for Al-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc)alloys:(a,b)Alloy 1#;(c,d) 独特的焊接原理所致.与TMAZ相邻的另一侧是 Alloy 2# HAZ,该区域在焊接过程中只经历了热冲击，没有 1#和2#合金母材峰时效T6态的拉伸力学性 发生塑性变形.Mahoney等I9认为HAZ区域的温 能如表2所示.由表可见，不含Sc的1#合金的抗 升在250℃左右，因此该区域的品粒形态与晶粒 拉强度和屈服强度为13MPa和557MPa,断后伸 尺寸保留了与母材相似的特征，如图5(e)和5(f) 长率8.3%；添加微量Sc元素后，2#合金的抗拉强 所示，部分组织为变形态晶粒，部分组织在固溶热 度和屈服强度为651MPa和601MPa,分别提高 处理过程中发生了静态再结晶 38MPa和44MPa,断后伸长率7.3%.可见，Sc元 对比1#合金和2#合金FSW焊接接头的金相 素添加能够显著提高A-Zn-Mg-Cu-Zr合金的强 显微组织，可以看到，含Sc的2#合金在HAZ和母 度，同时保持较好的塑性变形能力 材区域的晶粒尺寸比不含Sc的1#合金的更加细 表2研究合金的母材和FSW接头拉伸力学性能 Table 2 Tensile properties of the base material and the FSW joint for the investigated alloys Number Ultimate tensile strength/MPa Yield strength/MPa Elongation/% Welding coefficient/% Fracture site 1#-Base material 613±8 557±11 8.3±2.1 一 1#-Weld joint 439±4 352±2 2.0±0.3 71.6 WNZ 2#-Base material 651±2 601±7 7.3±2.9 2#-Weld joint 482±3 375±6 4.30.4 74.1 WNZ1#和 2#合金母材峰时效 T6 态的拉伸力学性 能如表 2 所示. 由表可见，不含 Sc 的 1#合金的抗 拉强度和屈服强度为 613 MPa 和 557 MPa，断后伸 长率 8.3%；添加微量 Sc 元素后，2#合金的抗拉强 度和屈服强度为 651 MPa 和 601 MPa，分别提高 38 MPa 和 44 MPa，断后伸长率 7.3%. 可见，Sc 元 素添加能够显著提高 Al−Zn−Mg−Cu−Zr 合金的强 度，同时保持较好的塑性变形能力. 2.2    Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金 FSW 接头的金 相组织 图 4 为光学显微镜下观察到的 2#合金焊接接 头横截面形貌，1#合金焊接接头因具有相同特征 而未列出. 如图 4（a）所示，焊缝形状呈现为典型 “盆型”，其中上表面为搅拌头插入面，对应焊缝区 最 大 宽 度 . 根 据 焊 缝 不 同 区 域 的 组 织 特 征 ， FSW 接头可以划分为四个区域，如图 4（b）所示， 居于焊缝中心的焊核区（Weld nugget zone, WNZ）， 热与机械力耦合作用下的热力影响区（Thermal￾mechanical  affected  zone,  TMAZ） ，单纯热影响区 （Heat-affected zone, HAZ），以及母材区（Base material, BM）. 图 5 为 1#和 2#合金 FSW 接头的金相显微组 织. 由图 5（a）和 5（b）可见，WNZ 区的晶粒形态为 均匀、细小的等轴晶，其组织特征呈现为典型的动 态再结晶组织. Benavides 等[17]、Sato 等[18]、Mahoney 等[19] 在研究 2024 合金、6063-T5 厚板、7075-T7651 合金的 FSW 接头组织中观察到相同的结果，焊核 区组织在经历了比较集中的摩擦热冲击后发生了 动态再结晶. 图 5（c）和 5（d）所示为 WNZ 近邻区 域 TMAZ 的显微组织照片，图中蓝线标出了两个 区域的边界，由图可见，WNZ 和 TMAZ 的晶粒形 态与尺寸存在明显差异，后者的晶粒呈现为被拉 长的变形态，随搅拌头旋转方向有明显的流动取 向. TMAZ 是搅拌摩擦焊接接头特有的区域，区别 于其它任何焊接方法的接头组织，主要是由于其 独特的焊接原理所致. 与 TMAZ 相邻的另一侧是 HAZ，该区域在焊接过程中只经历了热冲击，没有 发生塑性变形. Mahoney 等[19] 认为 HAZ 区域的温 升在 250 ℃ 左右，因此该区域的晶粒形态与晶粒 尺寸保留了与母材相似的特征，如图 5（e）和 5（f） 所示，部分组织为变形态晶粒，部分组织在固溶热 处理过程中发生了静态再结晶. 对比 1#合金和 2#合金 FSW 焊接接头的金相 显微组织，可以看到，含 Sc 的 2#合金在 HAZ 和母 材区域的晶粒尺寸比不含 Sc 的 1#合金的更加细 表 2 研究合金的母材和 FSW 接头拉伸力学性能 Table 2 Tensile properties of the base material and the FSW joint for the investigated alloys Number Ultimate tensile strength/MPa Yield strength/MPa Elongation/% Welding coefficient/% Fracture site 1#-Base material 613±8 557±11 8.3±2.1 — — 1#-Weld joint 439±4 352±2 2.0±0.3 71.6 WNZ 2#-Base material 651±2 601±7 7.3±2.9 — — 2#-Weld joint 482±3 375±6 4.3±0.4 74.1 WNZ GPI GPI 020 [001] η' 220 200 (a) 020 Al3(Sc, Zr) [001] η' 200 220 (c) Al3(Sc, Zr) [111] 202 224 022 (d) η' η η' η 202 224 022 (b) [111] 图 2    Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金母材的选区电子衍射花样. （a, b） 1#合金；（c, d） 2#合金 Fig.2     SAED  patterns  of  base  material  for  Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) alloys: (a, b) Alloy 1#; (c, d) Alloy 2# 100 nm (a) 200 nm (b) 200 nm (d) 100 nm (c) 图 3    Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金母材的晶内和晶界析出相. （a, b） 1#合金；（c, d） 2#合金 Fig.3    Precipitates distributed in the grain and along the boundary of the base material for Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) alloys: (a, b) Alloy 1#; (c, d) Alloy 2# 王    宇等： Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金搅拌摩擦焊接头组织和性能 · 615 ·