微量合金化增强了1561铝合金摩擦焊接接头的强度-延展性协同效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Sc microalloying enhanced strength-ductility synergy in FSW joints of 1561 aluminum alloy

Sc微合金化通过形成Al3(Sc,Zr)相细化晶粒并抑制晶界迁移，使1561铝合金FSW接头强度提升37MPa，延展性提高1.9%，实现高强度与良好塑性的协同优化。

　　在现代工业中，铝合金因其优异的比强度、耐腐蚀性以及良好的焊接性能，被广泛应用于轨道交通和航空航天等领域。然而，在摩擦搅拌焊接（Friction Stir Welding, FSW）过程中，工作硬化铝镁合金常常会出现共同软化现象，这种现象会限制其在结构应用中的潜力。为了克服这一挑战，研究人员尝试通过微合金化手段来改善FSW接头的性能，其中Sc（钪）的添加被认为是提高铝合金性能的有效策略。

本文研究了Sc微合金化对1561铝镁合金FSW接头的微观结构演变及力学性能的影响。1561合金是一种基于传统铝镁合金开发的新型材料，其Mg和Mn含量增加，使得其机械性能优于传统材料。研究团队通过添加0.05%的Sc，形成了Al₃(Sc, Zr)相，该相不仅有助于细化晶粒，还能减少枝晶偏析，从而提升材料的预焊接微观结构。这些Al₃(Sc, Zr)相在焊接过程中表现出显著的钉扎效应，有效抑制了晶界迁移，使得FSW接头的焊核区（Nugget Zone, NZ）呈现出较细的晶粒结构、较高的高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）比例以及较低的取向强度。

实验结果显示，Sc的加入显著提高了1561合金FSW接头的抗拉强度、屈服强度和伸长率。具体而言，1561Sc合金的接头在屈服强度上提升了67 MPa，在抗拉强度上提升了37 MPa，伸长率则增加了1.9%。这些性能的提升主要归因于晶粒细化和析出强化的协同作用。晶粒细化通过增加晶界数量，提高了材料的强度，同时维持了良好的延展性；析出强化则通过纳米级的Al₃(Sc, Zr)相阻碍位错运动，从而增强了材料的硬度和强度。

此外，研究还发现，Sc微合金化有助于改善FSW接头的微观结构稳定性。在焊接过程中，温度和机械应力的变化会导致晶粒结构的改变，而Sc的加入有效抑制了这种变化。例如，在焊核区，Sc微合金化的1561Sc合金表现出显著的动态再结晶现象，其晶粒尺寸由2.25 μm细化至1.24 μm，同时保持了较高的晶界比例和较弱的取向强度。这种微观结构的变化有助于提高接头的塑性变形能力，从而改善其延展性和韧性。

为了进一步分析这些微观结构变化对力学性能的影响，研究团队采用了多种实验手段，包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）。这些技术不仅揭示了焊接过程中不同区域的晶粒形态和分布，还分析了位错密度和晶界特性。结果表明，Sc的加入显著降低了焊核区的位错密度，同时增加了晶界数量，从而提高了材料的强度和韧性。

在焊接接头的硬度分布方面，Sc微合金化的1561Sc合金表现出更高的硬度水平。特别是在焊核区，其硬度恢复能力优于未添加Sc的1561合金。这表明Sc的加入不仅提高了材料的预焊接性能，还有效抑制了焊接过程中的软化现象。通过硬度测试和拉伸试验，研究团队验证了Sc对FSW接头的显著增强作用，同时发现这种增强作用并不以牺牲延展性为代价，反而在一定程度上提升了材料的延展性。

进一步的断裂分析表明，两种合金的断裂均发生在焊核区，而Sc微合金化的1561Sc合金表现出更均匀的塑性变形能力。在断裂表面观察到大量的球形凹坑，表明材料在断裂过程中能够吸收更多的断裂能，从而提高了其韧性。相比之下，未添加Sc的1561合金在断裂表面呈现出不均匀的凹坑分布，且存在局部撕裂棱，这表明其塑性变形能力有限。

从文献综述的角度来看，许多研究关注了Sc和Zr微合金化对高镁含量铝镁合金FSW接头的影响。然而，针对1561合金的具体研究仍较为有限。本文的研究结果表明，Sc微合金化能够有效提升1561合金FSW接头的综合性能，使其在保持高强的同时也具备良好的延展性。这种性能的提升不仅有助于拓展1561合金在高要求结构件中的应用，也为未来铝合金FSW技术的发展提供了新的思路。

综上所述，Sc微合金化对1561铝镁合金FSW接头的微观结构和力学性能产生了深远影响。通过细化晶粒、减少枝晶偏析、形成稳定的析出相以及抑制晶界迁移，Sc的加入显著提升了接头的强度和韧性。这些研究成果不仅为铝合金的焊接性能优化提供了理论依据，也为实际工业应用中的材料选择和工艺改进提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步探讨Sc与其他元素的协同作用，以及不同焊接参数对Sc微合金化效果的影响，从而推动铝合金焊接技术的持续发展。