王字等：A-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc)合金搅拌摩擦焊接头组织和性能 613· recrystallization feature comprising fine and uniform equiaxed grains with high density dislocations.Most of the aged precipitates dissolve into the matrix in the WNZ.The grains in the thermal-mechanical affected zone (TMAZ)are elongated with higher dislocation density,and residual aged precipitates coarsened remarkably.The heat-affected zone (HAZ)retains the same grain morphology as the base metal.Most of the aged n'precipitates grow,and a few coarsen to be the n phase in this zone.However,0.17%(mass fraction)Sc addition increases the ultimate tensile strength of FSW joint by 43 MPa,yield strength by 23 MPa,elongation by 2.3%,and the welding coefficient up to 74.1%.Al3(Sc,Zr)dispersoids are found to achieve the following:1)strongly inhibit the movement of dislocations, sub-grain boundaries,and grain boundaries,2)significantly refine grains while retaining several sub-structures,and 3)factor in Orowan precipitation strengthening.Therefore,the mechanical properties of FSW joints can be improved using the refined grain,sub-structure, and precipitation strengthening mechanisms. KEY WORDS Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc alloy;Al (Sc,Zr);FSW joint;microstructure;mechanical property 在航空航天用铝合金中，如高合金化的2××× 素优化Al-Mg、A-Zn-Mg系合金FSW接头性能 和7××系列，获得具备高强度、抗疲劳、耐腐蚀、 的研究工作已有报道-，而对于高合金化的A1一 断裂韧性高等良好综合性能的优质焊缝困难较 Zn-MgCu-Zr合金焊接行为的研究工作报道较 大，长期以来阻碍了焊接技术在航空航天结构连 少，关于母材中添加Sc元素对A-Zn-Mg-Cu-Zm 接中的广泛应用-6特别是超高强7××铝合金通 合金焊接接头的作用仍需详细研究.本工作选取 常被归类为不可焊接铝合金，因为这类铝合金的 A1-9.2Zn-2.2Mg-1.5Cu-0.11Zr-Sc)合金，采用搅 熔化区凝固组织粗大、气孔较多，导致焊缝处的力 拌摩擦焊对同种合金进行焊接，对比研究Sc元素 学性能与基础材料相比损失严重 对A-Zn-MgCu-Zr合金FSW接头的微观组织和 近些年，通过添加Sc元素来提高铝合金的焊 力学性能的影响 接性能已成为研究热点-1研究表明9，Sc元素可 1 实验材料与方法 以大幅度提升铝合金焊接接头的力学性能，降低 铝合金的热裂纹敏感系数.Norman和Sundaresan 1.1实验材料 开发并研究了含Sc铝合金焊丝，这种新型焊丝可 实验材料为利用实验室设备自制的A1-Zn- 以有效改善焊接区域的凝固组织，减少焊接裂纹 Mg-C-Zr-(Sc)铝合金，化学成分和编号见表1. 敏感系数，提升焊接接头的力学性能，满足航空用 合金铸锭的制备工艺见已报道的工作)合金铸 7××铝合金焊接件的生产要求)元恒新0也发 锭经过热轧变形得到厚度为6.0mm的板材，热轧 现在焊接7××铝合金时，使用含Sc的5××铝合 板经过470℃2h的固溶淬火处理后在120℃下 金焊丝可显著提升焊接接头强度.H®等山对比研 保温24h峰时效热处理.将热处理好的板材双面 究了A1-Mg-Mn-Sc-Zr合金在钨极氩弧焊(TIG) 铣至厚度5.2mm,沿轴向中线切成两片试样，用于 和搅拌摩擦焊(FSW)两种焊接方式下的焊接行 焊接实验 为，发现两种接头组织在Al(Sc,Zr)粒子的作用下 表1合金的化学成分及编号 均得到明显细化.Seshagiri等详细研究了含 Table I Chemical composition and designation for the tested alloys Sc和Zr的A-Cu合金激光氩弧焊的焊接接头力 Composition (mass fraction)/ 学性能，得到相似的结果，晶粒得到明显细化的焊 Number Classification Zn Mg Cu Zr Sc Si Fe Al 缝组织极大提升了焊接接头的强度 Nominal 9.22.21.50.110 搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是上世 1# Measured 9.422.331.620.120 纪90年代发明的一种焊接方法，与传统焊接方法 ≤0.08≤0.10Bal Nominal 9.22.21.50.110.17 相比具有许多优点，比如焊接接头热影响区小、残 Measured 9.842.261.580.120.17 余应力低、焊接工件变形程度小，能一次性完成较 长焊缝、大截面、不同位置的焊接，操作设备简 1.2 实验方法 单、操作过程容易实现机械化和自动化，无需添加 焊接实验是在北京赛福斯特技术有限公司 焊丝和保护气体，可以焊接热裂纹敏感性高的材 FSW2-4CX-006型搅拌摩擦焊机上进行的，焊接方 料甚至实现异种材料的连接，因此被认为是二十 向平行于轧制方向，焊接前用丙酮对样品表面进 -世纪最有潜力的焊接方法)目前，针对Sc元 行脱脂处理，防止焊接接头处产生气体和夹杂缺recrystallization  feature  comprising  fine  and  uniform  equiaxed  grains  with  high  density  dislocations.  Most  of  the  aged  precipitates dissolve into the matrix in the WNZ. The grains in the thermal-mechanical affected zone (TMAZ) are elongated with higher dislocation density, and residual aged precipitates coarsened remarkably. The heat-affected zone (HAZ) retains the same grain morphology as the base metal. Most of the aged η' precipitates grow, and a few coarsen to be the η phase in this zone. However, 0.17% (mass fraction) Sc addition increases the ultimate tensile strength of FSW joint by 43 MPa, yield strength by 23 MPa, elongation by 2.3%, and the welding coefficient up to 74.1%. Al3 (Sc, Zr) dispersoids are found to achieve the following: 1) strongly inhibit the movement of dislocations, sub-grain boundaries, and grain boundaries; 2) significantly refine grains while retaining several sub-structures; and 3) factor in Orowan precipitation strengthening. Therefore, the mechanical properties of FSW joints can be improved using the refined grain, sub-structure, and precipitation strengthening mechanisms. KEY WORDS    Al−Zn−Mg−Cu−Zr−Sc alloy；Al3 (Sc, Zr)；FSW joint；microstructure；mechanical property 在航空航天用铝合金中，如高合金化的 2××× 和 7×××系列，获得具备高强度、抗疲劳、耐腐蚀、 断裂韧性高等良好综合性能的优质焊缝困难较 大，长期以来阻碍了焊接技术在航空航天结构连 接中的广泛应用[1−6] . 特别是超高强 7×××铝合金通 常被归类为不可焊接铝合金，因为这类铝合金的 熔化区凝固组织粗大、气孔较多，导致焊缝处的力 学性能与基础材料相比损失严重. 近些年，通过添加 Sc 元素来提高铝合金的焊 接性能已成为研究热点[7−8] . 研究表明[9] ，Sc 元素可 以大幅度提升铝合金焊接接头的力学性能，降低 铝合金的热裂纹敏感系数. Norman 和 Sundaresan 开发并研究了含 Sc 铝合金焊丝，这种新型焊丝可 以有效改善焊接区域的凝固组织，减少焊接裂纹 敏感系数，提升焊接接头的力学性能，满足航空用 7×××铝合金焊接件的生产要求[3] . 元恒新[10] 也发 现在焊接 7×××铝合金时，使用含 Sc 的 5×××铝合 金焊丝可显著提升焊接接头强度. He 等[11] 对比研 究了 Al−Mg−Mn−Sc−Zr 合金在钨极氩弧焊（TIG） 和搅拌摩擦焊（FSW）两种焊接方式下的焊接行 为，发现两种接头组织在 Al3 (Sc,Zr) 粒子的作用下 均得到明显细化 . Seshagiri 等 [4] 详细研究了 含 Sc 和 Zr 的 Al−Cu 合金激光氩弧焊的焊接接头力 学性能，得到相似的结果，晶粒得到明显细化的焊 缝组织极大提升了焊接接头的强度. 搅拌摩擦焊（Friction stir welding, FSW）是上世 纪 90 年代发明的一种焊接方法，与传统焊接方法 相比具有许多优点，比如焊接接头热影响区小、残 余应力低、焊接工件变形程度小，能一次性完成较 长焊缝、大截面、不同位置的焊接，操作设备简 单、操作过程容易实现机械化和自动化，无需添加 焊丝和保护气体，可以焊接热裂纹敏感性高的材 料甚至实现异种材料的连接，因此被认为是二十 一世纪最有潜力的焊接方法[12] . 目前，针对 Sc 元 素优化 Al−Mg、Al−Zn−Mg 系合金 FSW 接头性能 的研究工作已有报道[11−12] ，而对于高合金化的 Al− Zn−Mg−Cu−Zr 合金焊接行为的研究工作报道较 少，关于母材中添加 Sc 元素对 Al−Zn−Mg−Cu−Zr 合金焊接接头的作用仍需详细研究. 本工作选取 Al−9.2Zn−2.2Mg−1.5Cu−0.11Zr−(Sc) 合金 ，采用搅 拌摩擦焊对同种合金进行焊接，对比研究 Sc 元素 对 Al−Zn−Mg−Cu−Zr 合金 FSW 接头的微观组织和 力学性能的影响. 1    实验材料与方法 1.1    实验材料 实验材料为利用实验室设备自制的 Al−Zn− Mg−Cu−Zr−(Sc) 铝合金，化学成分和编号见表 1. 合金铸锭的制备工艺见已报道的工作[13] . 合金铸 锭经过热轧变形得到厚度为 6.0 mm 的板材，热轧 板经过 470 ℃/2 h 的固溶淬火处理后在 120 ℃ 下 保温 24 h 峰时效热处理. 将热处理好的板材双面 铣至厚度 5.2 mm，沿轴向中线切成两片试样，用于 焊接实验. 1.2    实验方法 焊接实验是在北京赛福斯特技术有限公司 FSW2-4CX-006 型搅拌摩擦焊机上进行的，焊接方 向平行于轧制方向，焊接前用丙酮对样品表面进 行脱脂处理，防止焊接接头处产生气体和夹杂缺 表 1    合金的化学成分及编号 Table 1    Chemical composition and designation for the tested alloys Number Classification Composition (mass fraction) / % Zn Mg Cu Zr Sc Si Fe Al 1# Nominal 9.2 2.2 1.5 0.11 0 ≤0.08 ≤0.10 Bal. Measured 9.42 2.33 1.62 0.12 0 2# Nominal 9.2 2.2 1.5 0.11 0.17 Measured 9.84 2.26 1.58 0.12 0.17 王    宇等： Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金搅拌摩擦焊接头组织和性能 · 613 ·