脉冲电流辅助的线性摩擦焊7050铝合金微观结构调控与疲劳性能提升

《Materials Characterization》：Electropulsing-assisted microstructural regulation and fatigue enhancement in linear friction welded 7050 aluminum alloy

　　摘要亮点- 电脉冲热—非热协同作用细化晶粒，并促进低角度晶界向高角度晶界转变。- 经电脉冲处理+时效处理后，接头疲劳强度由170 MPa提高至200 MPa。- 提出一种可在铝合金中推广应用的、用于克服"可焊性—疲劳性能"矛盾的策略。引言随着航空航天制造技术的快速发展，飞机结构件的一体化、轻量化和可靠性提升已成为关键设计考量。铝合金以其高比强度和比刚度著称，被广泛用作航空航天、国防和海洋工程领域的轻量化结构材料[1]、[2]。然而，其固有的低熔点、高热膨胀系数和优异的导热性使得传统熔焊方法容易产生热裂纹和孔隙等缺陷[3]、[4]，严重损害焊接组件服役完整性[5]、[6]、[7]。线性摩擦焊（LFW）是一种先进的固态连接技术[8]、[9]，所形成的焊缝具有锻制微观结构，能有效消除与凝固相关的缩孔、夹杂和孔隙等缺陷[10]、[11]。接头热机影响区（TMAZ）很窄[12]，该工艺无需真空环境且具有自清洁能力，因而对环境友好[13]。因此，LFW在航空发动机整体叶盘（IBD）的制造与维修中已获得广泛应用[14]、[15]、[16]。本课题组[17]此前研究了热机耦合效应对线性摩擦焊TC11/TC17钛合金接头微观结构、织构和压缩性能的影响，发现高温降低了织构强度、位错密度、变形晶粒、压缩强度和接头显微硬度，同时促进再结晶、相变及施密特因子的升高。Liu等[18]研究了焊后时效处理的LFW TC4/TC17接头的微观结构与拉伸/疲劳性能，发现烧断长度和焊接参数通过影响界面微孔形成来主导接头强度。最优焊接条件为120 MPa、288–400 mm/s，所获接头无缺陷，性能与基体材料（BM）相当。Choi等[19]研究了AA5052/AA6061异种铝合金线性摩擦焊接头的拉伸行为，发现其对施加压力有很强的依赖性。迄今为止，关于LFW的研究主要集中在钛合金、高温合金和钢上，针对铝合金的研究相对较少。鉴于铝合金在航空结构中的广泛使用，LFW已成为航空航天部件的关键制造途径[20]。因此，本研究系统考察了7050铝合金LFW接头的微观结构与力学性能。铝合金LFW接头虽表现出良好的强度和韧性，但其疲劳性能仅为基体材料（BM）的一半。这种差距凸显了开发具有优异疲劳抗力和韧性的LFW接头对于确保先进航空部件安全可靠服役的重要性[21]。此前的研究表明，在一定的能量范围内，焊接工艺参数的调整对接头微观结构的影响有限。因此，本研究旨在通过焊后微观结构调控技术来优化这些接头的微观结构和力学性能。与此同时，脉冲电流处理技术在增强金属材料的塑性、促进再结晶与回复以及细化晶粒方面具有独特的优势。本课题组此前研究了异种钛合金LFW接头的电脉冲处理（EPT）[22]。结果表明，EPT促进了晶核的形成，导致等轴晶破碎和细化，随后在焊缝区（WZ）转变为层状和针状的交织篮纹结构。接头韧性从焊接状态的9.3 J/cm2提高至33.5 J/cm2，与TC11基体材料相当。Xu等[23]报道了EPT诱发7075铝合金第二相粒子向基体的快速溶解。Liu等[24]证实存在一个最优的脉冲参数范围，可在不显著损害材料力学性能的前提下使残余应力降低10–30%。尽管已取得上述进展，但关于EPT+时效（AT）协同应用于铝合金LFW接头微观结构调控的系统研究仍然缺乏。特别是EPT+AT对晶界特征分布、晶体织构演变、第二相粒子细化的综合效应及其对拉伸性能、硬度均匀性和高周疲劳行为的集体影响尚未得到全面阐明。7050铝合金广泛应用于关键航空结构部件，由于其复杂的沉淀硬化响应以及在焊接过程中易产生微观结构不均匀性，带来独特挑战。因此，本研究系统地整合脉冲电流处理与常规时效热处理，以调节7050铝合金LFW接头的微观结构和力学性能，脉冲电压范围为40–80 V。研究目标在于建立接头性能提升的结构—性能关系，重点关注晶粒细化、晶界工程、织构调控和第二相优化的机理。通过采用电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜和能谱（EDS）进行综合微观结构表征，并结合拉伸试验、显微硬度分布分析和高周疲劳评价等系统力学评价，本工作旨在为铝合金结构部件在航空航天应用中的安全可靠部署提供理论基础和实践洞见。章节摘录实验方法实验材料为20 mm厚的热轧7050铝合金板，状态为T7451，经固溶处理、淬火和时效获得。合金化学成分见表1。LFW原理示意图见图1(a)，焊缝宏观形貌见图1(b)。焊前两个试样的总长为198.5 mm。焊后轴向缩短约2.5 mm[原文在此处截断]。高周疲劳强度疲劳试验采用步进法进行。试样首先在给定最大应力下测试至10?次循环；若未断裂，则逐级提高应力直至失效。该方法常用于疲劳强度的对比评价，而非建立完整的S—N曲线。初始试验应力取200 MPa，是基于基体材料（300 MPa）和[原文在此处截断]的疲劳强度确定的。协同微观结构—织构演变与性能提升EPT+AT工艺引发了一系列相互关联的微观结构变化：晶粒细化、低角向高角晶界转变、再结晶、位错密度的非单调演变以及织构优化。这些变化遵循确定性的、依赖于电压的演变路径，共同决定了机械性能。脉冲处理过程的示意图见图18，其中展示了三个阶段：初始异质[原文在此处截断]。结论（1）EPT+AT通过电子风非热效应而非热激活促进再结晶。再结晶分数随电压从47.9%提高至76.0%，而处理温度保持在43–60 °C之间——远低于铝合金常规再结晶温度。（2）晶粒尺寸随电压增加单调减小，尺寸分布范围变窄。平均晶粒尺寸由焊接状态的5.04 μm2在40、60和80 V下分别降低至3.09、2.19和1.81 μm2[原文在此处截断]。CRediT作者贡献声明Pengkang Zhao：写作—审稿与编辑、项目管理、方法学、获取资金、概念化。Shaobo Yang：写作—原始文稿撰写、数据整理。Renfeng Zhao：指导、概念化。Bo Shen：写作—原始文稿撰写、调查研究。Shengxi He：验证。Peihao Geng：方法学、概念化。Qilong Yuan：项目管理。Chao Yang：获取资金。Chuanchen Zhang：资源提供。Xinwei Wang：验证。Yu-lung Chiu：概念化。未引用参考文献[46]、[47]、[48]利益冲突声明作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或人际关系。致谢本研究得到国家自然科学基金（批准号52575441和52575418）、航空科学基金（编号ASFC-202200110T6001）、西安碑林区应用技术研发项目（编号GX2447）、西安工业大学国际合作项目（编号2024GHCJ009）以及若干行业资助项目（编号2025610002011082、2025610002000945和2024610002014495）的支持。作者衷心感谢[原文在此处截断]。作者列表Pengkang Zhao｜Shaobo Yang｜Renfeng Zhao｜Bo Shen｜Shengxi He｜Peihao Geng｜Qilong Yuan｜Chao Yang｜Chuanchen Zhang｜Xinwei Wang｜Yu-lung Chiu｜Ninshu Ma