预焊固溶处理与焊后快速热处理协同抑制2219铝合金搅拌摩擦焊接头异常晶粒生长的准原位EBSD研究

针对2xxx系列铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头在固溶处理(ST)过程中出现的异常晶粒生长(AGG)问题，研究人员创新性地提出预焊ST与焊后快速热处理(RHT)协同工艺。通过准原位电子背散射衍射(EBSD)和Humphreys模型分析发现，该工艺能促进焊核区(NZ)正常晶粒生长、减小热机械影响区(TMAZ)应变带宽度，使T6处理后接头延伸率从8%提升至14%，强度达母材99%，为航空航天领域高强FSW接头制备提供新思路。

　　

在航空航天领域，2xxx系列铝合金因其优异的比强度和耐热性成为关键结构材料。然而这类合金传统焊接易产生气孔、裂纹等缺陷，而新兴的搅拌摩擦焊(FSW)虽能避免熔焊缺陷，却在后续固溶处理(ST)时面临异常晶粒生长(AGG)的严峻挑战——少数晶粒异常长大吞噬周围细晶，导致焊缝区晶粒尺寸远超母材(BM)，严重削弱接头力学性能。据统计，AGG可使T6态FSW接头延伸率骤降至8%，强度损失显著，这成为制约FSW技术在高性能构件中应用的"卡脖子"难题。

为攻克这一瓶颈，中国的研究团队在《Materials Today Communications》发表创新成果。研究者采用准原位电子背散射衍射(EBSD)结合Humphreys晶粒生长模型，系统探究了预焊ST与焊后快速热处理(RHT)对2219铝合金FSW接头AGG的抑制机制。实验选用5mm厚退火态2219铝板，通过对比预焊ST处理与常规退火板材的焊接效果，结合535°C等不同温度RHT工艺，首次揭示出"预焊ST促进NZ正常晶粒生长+RHT缩小TMAZ应变带"的双重抑制机制。

关键技术方法包括：1) 采用商用2219铝合金板材(ALNAN Aluminum Co., Ltd提供)；2) 准原位EBSD追踪热处理全过程晶粒演变；3) 基于Humphreys细胞稳定性模型定量分析晶界钉扎效应；4) 力学性能测试评估T6态接头性能提升幅度。

【Materials and experiments】
研究选用Cu含量6.8%的2219铝合金，初始平均晶粒尺寸44.5μm。预焊ST组经535°C/1h处理后进行FSW，焊后立即实施RHT（加热速率10-50°C/s），最终通过T6热处理评估性能。

【Microstructure of the welds】
EBSD分析显示：预焊ST组焊缝NZ平均晶粒尺寸显著细化（Pos A 7.5μm vs 退火组12.3μm），且呈现自上而下梯度减小特征，表明预焊ST通过优化焊接温度场分布实现晶粒均匀化。

【Effect of post-weld RHT on AGG in the weld】
高温快速RHT（535°C/50°C/s）使预焊ST组形成更多再结晶晶核。Humphreys模型证实，该工艺将Zener-Hollomon参数控制在10¹²-10¹³ s^-1范围，既能充分溶解粗大θ相(Al₂Cu)颗粒，又保留足够细小析出相钉扎晶界。

【Conclusions】
该研究突破性发现：1) 预焊ST使NZ形成高比例小角度晶界(>65%)，显著降低AGG驱动力；2) RHT通过动态再结晶在TMAZ生成细晶屏障带，阻断异常晶粒扩展路径；3) 优化工艺使T6态接头延伸率提升75%，强度恢复率达99%。这种"工艺调控-组织演变-性能提升"的完整解决方案，为航空航天大型薄壁构件FSW提供了可靠的热处理范式，相关技术已申请中国发明专利。

讨论部分强调，该研究首次将Humphreys模型应用于FSW接头AGG预测，证实临界晶粒尺寸比R^*=1.5是抑制AGG的关键阈值。未来研究可进一步探索该工艺在7xxx系列铝合金及钢/镁合金FSW中的应用潜力。