环境效应对摩擦搅拌加工高强铝合金结构与组成影响的Rietveld研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Rietveld study of environmental effect on structure and composition of a friction-stir-processed high-strength aluminum alloy

　　

理解冷却介质对组成相晶体结构、成分、形貌和尺寸的影响，对于阐明搅拌摩擦加工（FSP）过程中的微观组织演变至关重要。为此，研究人员对AA7075铝合金分别在空气中和水下进行FSP，并采用Rietveld精修结合X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和CALPHAD对其结构与成分进行了分析。结果表明，η-MgZn₂是所有试样中最主要的析出相。由于残余拉应力和固溶效应，FSP处理后试样在搅拌区（nugget zone）基体中的晶格发生膨胀，其中水冷试样的固溶效应最为显著，因而具有最高的晶格常数。当在空气中进行FSP时，MgZn₂析出相由于含有更多的Cu和Al元素，晶格膨胀最大。对于水下加工试样，析出相尺寸最粗大，并倾向于沿晶界以椭圆形态生长；而在原始态和空气处理试样中，析出相通常呈板条状，且在后者中含量最高。这种含量与表面Zn/Mg比相关；尽管该比值由表面敏感的X射线光电子能谱（XPS）测得，但它可作为FSP过程中由温度梯度驱动的宏观溶质再分配极端状态的指标。CALPHAD计算表明，基体中溶质溶解度随温度升高而增大，从而促进元素在温度梯度驱动下向高温区域扩散。

研究背景与意义

AA7075铝合金因比强度高、加工性能好而在航空航天等领域广泛应用，但其可焊性差限制了进一步发展。搅拌摩擦加工（FSP）作为一种固相连接技术，可有效处理高强铝合金。FSP的热机械作用会在焊缝中心至母材之间形成搅拌区（NZ）、热力影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ），其中NZ热输入最高、塑性变形最剧烈，微观组织演变最显著。已有研究多集中于工艺参数和冷却介质对组织与力学性能的影响，但对单个热机械循环下析出相的晶体结构、成分和含量仍缺乏定量认识。析出相溶解、元素再分配和晶格畸变是搅拌摩擦增材制造（FSAM）重复热循环导致性能退化的微观根源，因此系统阐明FSP中不同冷却条件下析出相的晶体结构、成分和含量变化，既有助于理解FSP接头性能控制，也为量化FSAM累积热效应和优化工艺提供参考。研究人员在空气和水下对AA7075进行FSP，采用Rietveld精修结合XRD、TEM和CALPHAD，定量分析不同条件下NZ的相结构和成分。

关键技术与方法

研究以8 mm厚AA7075-T6轧制板材为对象，分为原始态（SR）、空气FSP（SA）和水下FSP（SW）三组；FSP参数为旋转速度400 r/min、横移速度50 mm/min、下压量5 mm。主要方法包括：X射线衍射（XRD）全谱采集；Rietveld精修（TOPAS V4.2，基体峰形用Pearson VII，MgZn₂用基本参数模型）定量晶格常数、相含量和晶粒尺寸；高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合选区电子衍射/傅里叶变换观察析出相形貌、分布和晶面间距；PyCalphad（CALPHAD方法）计算平衡相成分随温度的变化。XPS数据来自研究人员前期工作。

研究结果

3.1 XRD分析

通过XRD图谱定性识别出α-Al基体、杂质相Al₇Cu₂Fe、析出相MgZn₂和Al₂CuMg。MgZn₂衍射峰数量多且轮廓清晰，表明其占比最大；其衍射峰在SR、SA、SW顺序中逐渐窄化，对应晶粒尺寸增大。FSP后Al₇Cu₂Fe峰宽化、强度下降，说明机械撕裂导致其破碎或部分溶解；Al₂CuMg峰在34.7°附近窄化而在62.8°附近减弱，说明部分粒子粗化而部分溶解。

3.2 TEM分析

HRTEM显示SR和SA晶内及晶界分布大量析出相，SR析出相尺寸为5–50 nm，SA为50–150 nm，均以板条状MgZn₂为主；晶面间距0.435 nm和0.460 nm与MgZn₂（100）晶面间距0.437 nm一致。SA晶界粗大粒子长达400 nm，并出现300 nm宽的无析出带（PFZ）。SW试样析出相主要沿晶界分布，尺寸为50–200 nm，形貌以球状或椭圆为主，晶内析出稀少；晶面间距0.430 nm仍对应MgZn₂。结合Rietveld精修结果，MgZn₂晶粒尺寸在SA和SW中分别较SR增加146%和383%。由于搅拌区温度超过300 ℃，GP区和细小η相溶解，冷却时溶质重新在大颗粒表面析出导致粗化。

3.3 Rietveld精修

精修结果显示α-Al基体晶格常数a在SR、SW、SA中分别为4.0529、4.0550、4.0542 ?，均大于纯Al模型值4.0496 ?，其中SW最大。MgZn₂相晶格常数随处理条件变化：SA较SR的a增大0.16%、c增大0.055%；SW较SR的a减小0.048%、c减小0.26%。MgZn₂质量分数在SA中最高（4.49%），SR和SW相近（3.95%和3.93%）。基体晶格膨胀归因于残余拉应力和固溶效应；MgZn₂晶格变化则与析出相成分改变有关。

讨论与结论

讨论围绕三点展开。第一，FSP后基体晶格膨胀：空气和水冷试样均因残余拉应力和固溶效应出现基体晶格膨胀，水冷试样冷却快、固溶元素截留更多，因而晶格常数最大；微观应变只会引起衍射峰对称宽化，不影响精修晶格常数。第二，MgZn₂晶格参数差异：空气处理后a、c增大，水下处理后减小，原因为热循环改变析出相Cu/Al含量；水下过程中Zn沿高密度位错快速扩散，使η相中Cu/Al减少，晶格收缩，而空气高温长时条件下Cu/Al含量更高，晶格膨胀。第三，CALPHAD计算显示，MgZn₂中Zn含量随温度升高而降低（52.6%→46.0%），Cu和Al含量升高（Cu由13.3%升至14.7%，Al由0.7%升至6.0%）；基体中元素固溶度随温度升高而增大，Zn扩散最快。温度梯度驱动Zn向高温表面区迁移，使NZ表面Zn/Mg比升高；SA具有最高Zn/Mg比（1.8）和最高MgZn₂含量，SW的Zn/Mg比（1.6）虽高但峰温低、冷却快，析出量未增加。

研究结论如下：1）与母材相比，空气和水下FSP处理的AA7075基体晶格均发生膨胀，主要源于残余拉应力和固溶效应；水下处理晶格常数增幅更大，归因于更强的固溶效应，热循环使较多溶质原子截留在基体中，呈过饱和态。2）与基体不同，MgZn₂在空气FSP后晶格膨胀，在水下FSP后晶格收缩；这种差异最可能源于析出相成分随温度变化，CALPHAD热力学计算和文献中成分–晶格参数关系支持该解释，但仍需原子尺度直接证据。3）水冷试样中MgZn₂含量与母材相当，空气冷却试样含量最高，原因在于其搅拌区表面Zn/Mg比最大；表面成分受热梯度影响，元素向高温区（搅拌针根部附近）扩散。由于XPS只探测浅表层，未来需采用截面成分分布分析对该表面模型进行定量验证。