[J.Magnes. Alloy.] Gd和Y原位合金化调控Mg/Fe界面化合物的形成

前言

镁合金具有质量轻、比强度高、阻尼减震好等优点，是常见的最轻的金属结构材料；钢强度高、塑韧性好、结构制造简便，是目前应用最广泛的金属材料。实现镁合金与钢的连接，能够降低结构质量以及节约材料，有利于促进汽车轻量化进一步发展。因此，实现镁合金/钢的高强度连接，将有效促进镁合金的广泛应用及汽车轻量化进程。然而，Mg、Fe熔点相差巨大，两者不能同时实现熔融；此外Mg、Fe之间晶格类型不同，互溶度极小；且由Mg、Fe二元相图可知，两者之间不能生成金属间化合物。目前研究人员主要使用两类焊接方法实现镁合金与钢之间的连接。第一类焊接方法为在高于Mg熔化温度而低于Fe熔化温度的温度下进行焊接(或在高于共晶反应温度而低于Mg熔点的温度下进行焊接)，如搅拌摩擦焊、钨极气体保护电弧焊、金属冷过渡焊、瞬时液相扩散连接，这类焊接方法由于界面反应温度通常高于Mg基化合物的共晶温度而低于其熔点，导致形成脆性Mg基共晶化合物。第二类焊接方法为在高于Fe熔化温度下焊接，如电阻点焊、激光焊接和脉冲激光-电弧复合焊接，这类焊接方法在焊接过程中能够使接头界面反应温度超过Mg的熔点，但仍低于Fe的熔点，从而形成主要为相对稳定但具有粗糙织构的Al基或Fe基金属间化合物（IMC）。当前研究已表明，高界面反应温度、小润湿角、具有连续的薄且坚固的界面层是实现镁合金和钢之间高强度焊接的重要因素。脉冲激光-钨极气体保护电弧复合焊（PL-AHW）方法充分利用了激光焊接和钨极气体保护电弧焊的优势，能够实现热源的能量平衡分配，能够确保焊接过程中镁合金的极少蒸发或没有蒸发，同时使界面反应温度升高使钢母材局部熔化。因此，PL-AHW方法在镁合金/钢异种金属焊接领域具有广阔的应用前景。目前，已有研究人员使用PL-AHW方法获得了镁合金/钢高强度连接接头，该接头形成了高于Fe熔点的(Fe, Al)和Al -(Mn, Fe)双固溶层界面结构，其中，Mn是来自于钢母材的合金元素，说明了钢的合金成分会对镁合金/钢接头的界面化合物的形成产生影响。然而，钢材中其他的合金元素（如奥氏体不锈钢中高含量的Cr和Ni元素）对Mg / Fe界面上形成IMCs的影响尚不清楚。因此，本研究使用了两种不同的镁基焊丝（Mg-Zn-Al (AZ61)和无Al的Mg-Gd- Y-Zr (Mg-RE)），采用PL-AHW方法对AZ31B 镁合金板材和316 L奥氏体不锈钢板材进行焊接。分析了Cr和Ni对Mg/Fe界面化合物相形成的影响，同时为消除Al元素对镁合金基体的影响，在镁基焊丝中添加稀土元素Gd和Y进行原位合金化，对Mg/Fe界面层进行优化，并揭示了Gd和钇Y原位合金化对Mg/Fe界面化合物多尺度晶格匹配和界面强化机制的影响。本研究成果“Regulating Mg / Fe interfacial compound formation by in-situ alloying with Gd and Y”发表于期刊“Journal of Magnesium and Alloys”。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jma.2024.01.016

正文

本试验使用PL-AHW复合焊接工艺，分别以直径为1.2 mm的AZ61和Mg-RE镁基焊丝为填充金属，对尺寸为100mm×60 mm×1.5 mm的AZ31B镁合金板材和100mm×60 mm×1.0 mm的316L不锈钢板材进行搭接焊（镁板置于钢板上方）。 AZ31B/AZ61/316 L和AZ31B/Mg-RE/316 L接头的的宏观形貌、拉伸试验结果和断裂路径如图1所示。研究表明，在相同的焊接参数下，AZ31B/AZ61/316 L和AZ31B/Mg-RE/316 L接头的焊缝宏观形貌相似；接头横截面熔合区分为三个区域：主要受GTAW影响的前端区域；主要受激光焊接影响的中心区域；主要受GTAW影响的后端区域。AZ31B/AZ61/316 L接头的抗拉强度为115 N/mm，接头沿Mg / Fe界面发生断裂。AZ31B/Mg-RE/316 L接头的抗拉强度为290 N/mm，接头沿锁孔顶部垂直熔合区断裂。

图1 焊接接头的宏观形貌、拉伸试验结果和断裂路径：（a）AZ31B/AZ61/316 L和（b）AZ31B/Mg-RE/316 L接头的宏观形貌，（c）截面形貌，（d）拉伸试验结果，（e）断裂路径和（f）断口形貌。
AZ31B/AZ61/316L接头焊缝前部和中部EMPA图谱分析结果如图2所示。研究表明，接头焊缝前端部分钎焊界面区域由共晶组织（Mg ₂ Al ₃ +α-Mg）/共晶组织（Mg ₁₇ Al ₁₂ +α-Mg）/共晶组织（Mg ₂ Al ₃ +α - Mg）/Al ₁₁ Mn ₄ 组成。在焊缝中部，由于激光和电弧混合热源的共同作用，形成了纳米级 Al ₁₁ Mn ₄ /Fe ₄ Al ₁₃ 化合物层，具有熔焊特征。不锈钢中Ni、Mn、Fe和Cr与Al的反应优先级均高于Mg与Al的反应优先级，但由于不锈钢中 Cr和Ni对α-Fe和γ-Fe的稳定作用，导致Fe在熔池中的扩散速率较低，阻碍了Al和Fe之间的冶金反应。因此，促进了Al和Mg的冶金反应，导致脆性Al-Mg共晶化合物（即Mg ₂ Al ₃ 和Mg ₁₇ Al ₁₂ ）的形成。

图2 AZ31B/AZ61/316L接头焊缝前部和中部EMPA图谱分析：（a）原始视图，（b）和（j）Mg，（c）和（k）Al，（d）和（L）Mn，（e）XRD物相分析，（m）混合摩尔分数焓曲线，（f）和（n）Fe，（g）和（o）Cr，（h）和（p）Ni。

AZ31B/Mg-RE/316 L接头焊缝中部Mg/Fe界面微观组织TEM分析结果如图3所示。研究表明，以Mg-RE焊丝为填充金属的接头熔合区中部区域形成了Mg/Mg₂₄(Y, Gd)₅/Fe₁₇(Y, Gd)₂/ (Fe, Gd, Y, Zr, Cr, Ni, Mn) /Fe多相界面。由于Gd和Y在Fe中具有较低的扩散活化能和较高的固溶性，同时Gd和Y的原子半径远大于Fe原子，使得钢母材侧形成了大范围的间隙固溶体。随着Gd和Y在Fe中扩散浓度的增加，Cr和Ni对Fe的稳定作用减弱，Gd和Y分别在高、低反应温度下分别与Fe和Mg发生反应，生成了Fe₁₇(Y, Gd)₂和Mg₂₄(Y, Gd)₅ IMCs。