618 工程科学学报，第42卷，第5期 210 BM HAZ NZ HAZ BM 强化、亚结构强化和时效析出强化作用均比较弱， 200 因此该位置处的硬度值对应着硬度曲线的最低 190 值.硬度的最低值位于TMAZ区和HAZ区的交界 180 处，理论上认为该位置是最有可能发生断裂的位 置，然而根据焊接接头拉伸力学性能测试结果，含 160 Sc的目标合金与不含Sc的对比合金的断裂位置 均处于WNZ区，可能原因为焊接接头各区域的厚 -■-2#weld joint 140 1#weld joint 度不均匀，WNZ区在搅拌头的作用下厚度最薄 -30-25-20-15-10-5051015202530 对比A-Zn-MgCu-Zr合金与Al-Zn-Mg-C- Distance from weld center line/mm Z-Sc合金的焊接接头显微硬度和拉伸测试结果， 图8研究合金的FSW接头显微硬度分布图 不难发现Sc元素的加入可以显著提升合金的焊 Fig.8 Micro-hardness profile of the FSW joints for the investigated alloys 接接头性能，这主要得益于Al3(Sc,Zr)颗粒杰出的 热稳定性.李召明利用热力学软件计算了 1#和2#合金的FSW接头的拉伸力学性能列 A-Zn-Mg-Zr-(Sc)合金中的析出相随温度的变化 于表2中.1#合金焊接接头的抗拉强度和屈服强 规律，结果表明，合金中的时效析出相MgZn2溶解 度为439MPa和352MPa:添加质量分数为0.17% 温度约为180℃，而A13(Sc,Zr)相的溶解温度高达 Sc元素后，焊接接头抗拉强度和屈服强度达到 615℃.在焊接热输入下，合金中时效析出相发生 482MPa和375MPa,分别提高43MPa和23MPa, 溶解，而含Sc合金焊后透射电镜组织中依然可以 塑性改善2.3%.1#合金的焊接系数为71.6%，添加 观察到Al3(Sc,Zr)相.在本工作中，通过对2#合金焊 Sc以后，2#合金的焊接系数提高到74.1% 核区Al3(Sc,Zr)相的透射电镜观察，如图9所示， 3讨论与分析 发现Al(Sc,Zr)相不仅没有回溶，而且没有明显粗 化，尺寸分布在10~30nm,保持了与母材相同的 A-Zn-Mg-C-Zr-(Sc)合金FSW接头由WNZ、 水平.Al(Sc,Z)颗粒可以强烈抑制位错、亚晶界、 TMAZ和HAZ区域组成.WNZ区为动态再结晶 晶界的移动，细化晶粒的同时保留大量的亚结构， 组织，晶粒内部包含较高密度的位错线，晶内析出 再加上自身的Orowan弥散强化作用，Sc元素增强 相大部分在焊接过程中发生回溶，仅残留少量的 合金的机制主要包含细晶品强化、亚结构强化和弥 大尺寸n相，故而WNZ区在细晶强化和亚结构强 散强化三种方式.在它们的协同作用下，使得A1- 化的强化机制作用下表现出较高的硬度.TMAZ Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金的焊接接头强度提升10%. 区的晶粒形态被拉长，包含了更多数量的亚结构， 晶界类型以小角度晶界为主，晶界上的析出相几 乎全部回溶，留下宽度50~100nm的晶界无析出 带，品内的析出相发生回溶和粗化，以η相为主， 因此TMAZ区的细晶强化作用下降而亚结构强化 200nm 200nm 作用上升，总体保持与WNZ相同水平的硬度 因92#合金FSW接头处的AL(Sc,Zr)形貌.(a)BM:(b)WNZ HAZ区保留了与母材相同的晶粒形态，晶内的析 Fig.9 Morphologies of Al (Sc,Zr)particles of the FSW joint for Alloy 出相为n相和相共存，以相为主，尺寸相比于 2:(a)BM;(b)WNZ 母材区的析出相发生粗化，晶界上的析出相也在 4结论 热冲击的作用下发生粗化和回溶，呈现断续分布， 晶界无析出带增宽，尽管细晶强化和亚结构强化 (I)Al-Zn-Mg-Cu-Zr-(Sc)合金FSW接头具 作用在HAZ区的作用已经非常微弱，但是第二相 有相似的组织特征：WNZ区为动态再结晶组织， 的时效析出强化作用显著，且随着远离焊缝中心， 由均匀、细小的等轴晶组成，大部分时效析出相回 热冲击对强化相的影响作用减小，该区域的硬度 溶或粗化；TMAZ区晶粒被拉长，残留的时效析出 值逐渐上升并接近母材(BM)的硬度.然而，在 相粗化显著；HAZ区保留与母材相同的晶粒形态， TMAZ向HAZ转变的过渡区，由于变形晶粒被拉 大部分时效析出相相发生长大，少部分粗化成 长，位错线密度下降，第二相的回溶或粗化，细晶 n相.1#和 2#合金的 FSW 接头的拉伸力学性能列 于表 2 中. 1#合金焊接接头的抗拉强度和屈服强 度为 439 MPa 和 352 MPa；添加质量分数为 0.17% Sc 元素后，焊接接头抗拉强度和屈服强度达到 482 MPa 和 375 MPa，分别提高 43 MPa 和 23 MPa， 塑性改善 2.3%. 1#合金的焊接系数为 71.6%，添加 Sc 以后，2#合金的焊接系数提高到 74.1%. 3    讨论与分析 Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金FSW 接头由WNZ、 TMAZ 和 HAZ 区域组成. WNZ 区为动态再结晶 组织，晶粒内部包含较高密度的位错线，晶内析出 相大部分在焊接过程中发生回溶，仅残留少量的 大尺寸 η 相，故而 WNZ 区在细晶强化和亚结构强 化的强化机制作用下表现出较高的硬度. TMAZ 区的晶粒形态被拉长，包含了更多数量的亚结构， 晶界类型以小角度晶界为主，晶界上的析出相几 乎全部回溶，留下宽度 50～100 nm 的晶界无析出 带，晶内的析出相发生回溶和粗化，以 η 相为主， 因此 TMAZ 区的细晶强化作用下降而亚结构强化 作用上升 ，总体保持 与 WNZ 相同水平的硬度 . HAZ 区保留了与母材相同的晶粒形态，晶内的析 出相为 η 相和 η'相共存，以 η'相为主，尺寸相比于 母材区的析出相发生粗化，晶界上的析出相也在 热冲击的作用下发生粗化和回溶，呈现断续分布， 晶界无析出带增宽，尽管细晶强化和亚结构强化 作用在 HAZ 区的作用已经非常微弱，但是第二相 的时效析出强化作用显著，且随着远离焊缝中心， 热冲击对强化相的影响作用减小，该区域的硬度 值逐渐上升并接近母材（BM）的硬度. 然而，在 TMAZ 向 HAZ 转变的过渡区，由于变形晶粒被拉 长，位错线密度下降，第二相的回溶或粗化，细晶 强化、亚结构强化和时效析出强化作用均比较弱， 因此该位置处的硬度值对应着硬度曲线的最低 值. 硬度的最低值位于 TMAZ 区和 HAZ 区的交界 处，理论上认为该位置是最有可能发生断裂的位 置，然而根据焊接接头拉伸力学性能测试结果，含 Sc 的目标合金与不含 Sc 的对比合金的断裂位置 均处于 WNZ 区，可能原因为焊接接头各区域的厚 度不均匀，WNZ 区在搅拌头的作用下厚度最薄. 对比 Al−Zn−Mg−Cu−Zr 合金与 Al−Zn−Mg−Cu− Zr−Sc 合金的焊接接头显微硬度和拉伸测试结果， 不难发现 Sc 元素的加入可以显著提升合金的焊 接接头性能，这主要得益于 Al3 (Sc,Zr) 颗粒杰出的 热稳定性 . 李召明 [23] 利用热力学软件计算 了 Al−Zn−Mg−Zr−(Sc) 合金中的析出相随温度的变化 规律，结果表明，合金中的时效析出相 MgZn2 溶解 温度约为 180 ℃，而 Al3 (Sc,Zr) 相的溶解温度高达 615 ℃. 在焊接热输入下，合金中时效析出相发生 溶解，而含 Sc 合金焊后透射电镜组织中依然可以 观察到 Al3 (Sc,Zr) 相. 在本工作中，通过对 2#合金焊 核区 Al3 (Sc,Zr) 相的透射电镜观察，如图 9 所示， 发现 Al3 (Sc,Zr) 相不仅没有回溶，而且没有明显粗 化，尺寸分布在 10～30 nm，保持了与母材相同的 水平. Al3 (Sc,Zr) 颗粒可以强烈抑制位错、亚晶界、 晶界的移动，细化晶粒的同时保留大量的亚结构， 再加上自身的 Orowan 弥散强化作用，Sc 元素增强 合金的机制主要包含细晶强化、亚结构强化和弥 散强化三种方式[24] . 在它们的协同作用下，使得 Al− Zn−Mg−Cu−Zr−Sc 合金的焊接接头强度提升 10%. 4    结论 （ 1） Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc) 合金 FSW 接头具 有相似的组织特征：WNZ 区为动态再结晶组织， 由均匀、细小的等轴晶组成，大部分时效析出相回 溶或粗化；TMAZ 区晶粒被拉长，残留的时效析出 相粗化显著；HAZ 区保留与母材相同的晶粒形态， 大部分时效析出相 η'相发生长大，少部分粗化成 η 相. 140 −30 −25 −20 −15 −10 −5 Distance from weld center line/mm 0 5 10 15 20 2# weld joint 1# weld joint 25 30 150 160 170 180 Microhardness, HV190 200 210 BM HAZ NZ TMAZ HAZ BM 图 8    研究合金的 FSW 接头显微硬度分布图 Fig.8     Micro-hardness  profile  of  the  FSW  joints  for  the  investigated alloys 200 nm (a) 200 nm (b) 图 9    2#合金 FSW 接头处的 Al3（Sc,Zr）形貌. （a） BM；（b） WNZ Fig.9    Morphologies of Al3 (Sc,Zr) particles of the FSW joint for Alloy 2: (a) BM; (b) WNZ · 618 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期