大幅提升高強鋁合金的焊接強韌性

高強度鋁合金結構強韌性差一直是困擾航空航天、高速列車等重大裝備的世紀難題。自從焊接技術發明以來，鋁合金熔焊結構頻繁發生疲勞破壞，根源在于損傷演化機理不明。在一次高倍顯微觀察中，研究人員偶然發現在激光焊接7075鋁合金熔合線處存在著一個寬度僅為數十微米的貫穿板厚的細小等軸晶區（Fine eQuiaxed Zone，FQZ），這種極易被忽視的細晶帶在鋁合金和鋼結構中普遍存在，例如載運裝備用2000系、5000系、6000系、7000系和8000系鋁合金及能源用鋼S960、G115和Cr92等，焊接熱源覆蓋激光、電子束、等離子束和電弧，廣泛用于航空航天、能源動力、高速列車、海洋船舶等。研究顯示，細晶帶是接頭硬度和強度的區域，在結構受載時，裂紋優先萌生于細晶帶，造成破壞源于熱影響區（HAZ）的假象。為此，亟待探明熔焊接頭細晶帶的軟化及失效機理，為建造高損傷容限的輕量化鋁合金結構提供科學支撐。

深入研究發現，細晶帶內部的細小等軸非枝晶是以母材中高溫穩定相經異質形核而成，適宜的溫度梯度和熔池擾動共同決定了細晶帶形成于HAZ區域。調節工藝參數能夠改變細晶帶的寬度，但無法完全消除細晶帶。基于高分辨X射線原位多尺度關聯成像技術，發現影響7050鋁合金接頭性能劣化的本質因素，探明了細晶帶軟化及沿晶失效機制，進而提出了一種全新的“激光擾動+磁場脈沖”聯合制造策略，通過調控細晶帶的區間分布，大幅提升了激光熔焊接頭的強韌性，高于攪拌摩擦焊。相關成果以題為“Inhibiting weld cracking in high-strength aluminium alloys”發表在Nature Communications上，第一作者為西南交大牽引動力我國重點實驗室胡雅楠博士（現為力學與航空航天學院講師），通訊作者為吳圣川研究員（康國政團隊，共同作者）、上海交大沈朝副教授（曾小勤團隊，共同作者）及曼徹斯特大學Philip J. Withers兩院院士，完成單位還包括西南交大（虞雨框碩士生，張旭教授）、中科院金屬所（郭翼研究員）、英國曼徹斯特大學（鐘向莉高工）、牛津大學（Alexander M. Korsunsky教授，Sergio Lozano-Perez教授）、中科院上海光源（付亞楠研究員，肖體喬研究員）、中國航空制造技術研究院（車志剛研究員）和北京高能所北京光源（袁清習研究員）。

作者綜合利用多種表征方法，獲取接頭各區的微結構特征。根據第二相強化、細晶強化、位錯強化和固溶強化的關系模型，定量計算了析出相、晶粒尺寸、位錯密度和固溶原子對力學性能的貢獻。實驗結果表明，細晶帶晶內析出相數量減少致強度降低的幅度更大，是導致該區域力學性能劣化的重要原因之一；而析出相數量減少是由強化元素Zn、Mg和Cu嚴重的晶界偏析以及急速的冷卻凝固使得剩余溶質原子來不及重新沉淀析出所致。
進一步地，開展了多維多尺度關聯成像表征，包括同步輻射原位X射線成像和高分辨納米成像及透射電鏡等。發現在單調拉伸加載下，熔焊接頭優先在細晶帶損傷形核與發生裂紋萌生。損傷形核模式包括三叉晶界形核以及晶間相與界面脫粘形核。其中，晶間相的空間形貌具有各向異性，傾向于沿著焊縫厚度方向填充在晶粒之間，這種分布特征有利于促進微孔洞的形核與擴展。另外，幾乎所有形核的微孔洞均與晶間相有關。通過衍射圖譜和成分標定發現，孔洞形核與大角度晶界上分布的AlCuMg硬脆相密切相關。

研究人員受到力學三明治結構的啟發，提出焊縫有規律彎曲分布的成形思想，同時引入脈沖電磁場消除接頭中微裂紋和氣孔，來探索接頭拉伸強度與抗疲勞性能大幅提升的可能。研究表明，傳統接頭熔合線附近的細晶帶呈現連續且線性走向特征，而經過“激光擾動+磁場脈沖”成形后，細晶帶在焊縫熔合線處將呈現出“S”形、斷續分布特征，且部分細晶帶由熔合線轉移至焊縫中心，從而使得細小等軸非枝晶與粗大等軸枝晶實現了交替分布。一方面，“激光擾動+磁場脈沖”聯合制造策略有助于改善合金元素分布，減弱強化元素晶界偏析程度，與傳統焊接工藝相比，晶粒內部強化相數量增加，進而提升了接頭的硬度和強度，使其達到了固相焊接水平。另一方面，“S”走向、斷續分布的細晶帶顯著增加了裂紋擴展阻力，從而大幅提升了接頭的“韌性”。此處所述的“韌性”主要指固體力學的損傷容限能力，而非簡單地材料學中的斷裂韌性。
總之，作者闡明了高強度鋁合金熔焊接頭細晶帶是導致強度大幅降低的微觀機制，進而提出了一種“激光擾動+磁場脈沖”聯合成形策略，調控細晶帶的微結構特征及分布規律，以顯著提升接頭的強度和韌性。聯合制造方法條件下7000系鋁合金接頭強度約為母材90%以上，略高于攪拌摩擦焊接頭強度；同時疲勞裂紋擴展門檻值得到了顯著提高，裂紋擴展速率表現出有規律的停滯-下降走勢，表明接頭的抗疲勞開裂性能也得到了提升。論文問題源自作者2011年我國自然科學基金青年項目《激光-電弧復合焊熱循環致高強鋁合金接頭軟化的機理研究》（51005068），歷經10余年探索終獲突破。研究成果不僅為高強鋁合金激光及復合熱源焊接破解了強韌性差的技術瓶頸，同時有助于重大裝備長壽命高可靠輕量化設計及服役，具有重要的工程指導意義。
近年來，吳圣川研究員在康國政教授帶領下，以牽引動力我國重點實驗室為依托，致力于載運工具結構的服役性能表征及評價，先后承擔973計劃、我國自科基金（青基、面上、聯合、重點、重大）、軍委科技委JCJQ重點項目、省部國際合作項目及中車企業等多個項目。在重要學術期刊Nature Commun、Acta Mater、Int J Fatigue、Eng Fract Mech等發表論文160余篇，總引用達3000余次，6篇入選ESI高被引論文，授權專利15件，曾獲得中國質量技術一等獎、四川省科技進步獎和學術技術帶頭人等獎勵。
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