铒(Er)微合金化对6082-T6铝合金激光焊接接头微观组织与力学性能的影响机制研究

为解决高功率激光焊接6xxx铝合金时低熔点元素蒸发和异质组织形成导致的接头性能下降问题，研究人员通过向ER5356焊材中添加0.2-0.8 wt.% Er，系统研究了Al10ErFe2/Al8Fe4Er/Al3Er等金属间化合物的形成规律及其对Mg2Si相细化(0.109→0.047 μm2)、晶粒尺寸调控(58→44 μm)的作用机制。0.4 wt.% Er优化接头抗拉强度达261 MPa(提升16.5%)，延伸率6.8%(提升119%)，为铝合金激光焊接性能调控提供了新思路。

　　

在航空航天、轨道交通等高端装备制造领域，6xxx系(Al-Mg-Si)铝合金因其优异的比强度和耐蚀性成为关键结构材料。激光焊接技术凭借深宽比大、变形小等优势成为首选连接工艺，但高能激光导致的Mg、Si等有益元素蒸发及异质组织形成，严重削弱接头力学性能。传统工艺优化虽能部分改善性能，但元素烧损问题难以根治。微合金化作为材料改性的重要手段，通过引入Sc、Zr等元素已展现出显著效果，而稀土元素Er因其独特的核壳结构形成能力备受关注。然而现有研究多聚焦Er-Zr复合添加，对单一Er的作用机制特别是其与Fe等杂质元素的交互作用缺乏系统认知。

西南交通大学材料科学与工程学院Yahui Wu团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，采用热力学计算与TEM表征相结合的方法，揭示了Er微合金化对6082-T6铝合金激光焊接接头组织性能的调控机制。研究通过中频熔炼制备含Er焊丝(0.2-0.8 wt.%)，采用10 kW碟片激光器进行焊接，利用EBSD分析晶粒尺寸，结合Scheil非平衡凝固模型预测相变序列，并通过HRTEM解析Al₁₀ErFe₂等相的晶体学特征。

3.1 力学性能

含Er接头均呈现强度-塑性协同提升，0.4 wt.% Er优化组抗拉强度达261 MPa，较ER5356基准组提升16.5%，延伸率提高至6.8%。硬度测试显示熔合区硬度随Er添加提高，断裂分析表明0.4Er接头断口韧窝更密集，Mg₂Si相分布更均匀。

3.2.1 偏振光与EBSD分析

Er添加使熔合区平均晶粒尺寸从58 μm(0Er)降至44 μm(0.8Er)，但0.2-0.8 wt.% Er区间晶粒细化效果无显著差异，表明Al₃Er非主要细化因素。

3.2.2 熔合区微观组织

SEM显示Er促使网状Mg₂Si转变为不连续短棒状(面积减少57%)，Fe相平均面积从0.202 μm²降至0.077 μm²。EDS证实白色颗粒相为含Fe、Mn、Er的金属间化合物。

3.2.3 热力学计算

非平衡凝固模拟揭示0.4Er焊缝析出序列：L→Al₁₃Cr₂→α-Al→Al₁₃M₄→Al₁₅_FeMn₃Si₂→Al₁₀ErFe₂→Mg₂Si→L12_FCC(Al₃Er)，首次发现Al₈Fe₄Er相在504°C形成。

3.2.4 TEM表征

HRTEM解析出Al₁₀ErFe₂(正交相)、Al₈Fe₄Er(四方相)与α-Al的非共格界面，以及Al₃Er与基体的共格关系。Fe相周围存在高密度位错，证实Orowan强化机制主导。

4.1 晶粒细化机制

边缘匹配模型计算显示Al₈Fe₄Er/Al₁₀ErFe₂与α-Al的最小晶格错配度达24.5%，不具备异质形核能力。溶质限制生长模型表明Fe元素消耗界面Er，削弱其生长限制效应，导致细化效果不随Er含量线性增加。

4.2 强化机制

第二相强化(贡献度76%)通过Al₈Fe₄Er/Al₁₀ErFe₂钉扎位错起主导作用；晶界强化(14%)使Hall-Petch系数提升至0.07 MPa/m^1/2；固溶强化(10%)源于Er对Mg固溶度的微调。

该研究创新性揭示Er-Fe交互作用对铝合金激光焊接组织的调控规律，突破传统认知中Al₃Er主导细化的观点，提出"溶质限制-相变耦合"协同优化机制。0.4 wt.% Er的优化配方为高强铝合金焊接材料设计提供理论依据，其揭示的Al₈Fe₄Er等新相形成条件对稀土铝合金开发具有普适指导意义。