【摘 要】
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搅拌摩擦搭接焊（Friction stir lap welding,FSLW）作为一种固相焊接技术,其焊接温度远低于熔化焊接温度。在焊接镁、铝异种金属过程中,避免了熔化焊接所特有的焊接缺陷,但依然会产生大量脆性金属间化合物（Intermetallic compounds,IMC）,导致力学性能差。但目前在FSLW过程中IMC的生成机制尚存争议,并且IMC对接头的损伤行为的作用机理尚不明确。同时,接
【基金项目】
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国家自然科学基金钢铁联合基金重点项目“超高强铝合金和镁合金同种/异种材料搅拌摩擦焊接技术及相关基础（U1760201）”；
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搅拌摩擦搭接焊（Friction stir lap welding,FSLW）作为一种固相焊接技术,其焊接温度远低于熔化焊接温度。在焊接镁、铝异种金属过程中,避免了熔化焊接所特有的焊接缺陷,但依然会产生大量脆性金属间化合物（Intermetallic compounds,IMC）,导致力学性能差。但目前在FSLW过程中IMC的生成机制尚存争议,并且IMC对接头的损伤行为的作用机理尚不明确。同时,接头在实际应用过程中接头以疲劳载荷下的服役形式为主,然而目前缺乏对镁、铝异种金属FSLW（Mg-Al FSLW）接头疲劳裂纹萌生和扩展行为的研究。再者,接头在应用过程中除了需要具备优异的力学性能外还需要具备良好的耐蚀性。研究表明,Mg-Al FSLW接头易发生电偶腐蚀,但关于其腐蚀行为的研究仅仅停留于腐蚀性能的评价,缺乏其发生电偶腐蚀的腐蚀机理。基于此,本文分别以不添加和添加中间层铜、镍的AZ31镁合金与Al-Zn-Cu-Mg铝合金异种金属FSLW接头为研究对象,对上述存在的问题开展研究。本文主要研究内容和结论如下:本文利用热力学原理和原子碰撞理论,研究了Mg-Al FSLW过程中IMC的形成机制。结果表明,IMC是由于合金元素之间发生扩散反应形成的。在FSLW过程中,搅拌头与材料的摩擦热和材料剧烈塑性变形的变形热为扩散反应提供了热量;同时,搅拌头的高速搅拌促使原子之间快速碰撞,促使扩散反应发生;并且,材料的剧烈塑性变形加快了扩散反应的速率。FSLW过程中,Mg-Al FSLW接头中IMC的生成顺序依次为Al12Mg17、Al3Mg2、Mg Zn2和Al2Cu相。铜、镍中间层的添加改变了IMC的演变规律:一方面,铜、镍中间层阻隔了镁、铝合金的直接接触,抑制了Al-Mg相的生成;另一方面,铜、镍原子与镁、铝原子之间的反应更容易发生,从相的生成机理上抑制了Al-Mg相的产生。本文通过原子晶格错配理论分析了各IMC对接头力学性能的影响。结果表明,由于Al12Mg17与基体之间界面错配度较高,降低了界面的结合强度,导致Mg-Al FSLW接头在剪切过程中,裂纹萌生于大量Al12Mg17相聚集的Hook RS。加入中间层铜、镍后,生成的大量Mg-Cu相、Al-Cu相、Al-Ni相、Mg-Ni相与镁、铝基体之间的结合强度均高于Mg-Al相与基体的结合强度,促使其接头剪切性能均高于Mg-Al接头。其中加铜接头的剪切性能最高,为5240±68 N。本文通过对接头疲劳裂纹区域的微观组织的表征,研究了疲劳载荷作用下的裂纹萌生和扩展机理。结果表明:IMC是导致Mg-Al FSLW接头疲劳裂纹萌生的主要原因;而对于Mg-Cu-Al FSLW接头,镁合金与中间层铜之间的弱连接,以及基面滑移和孪生的共同作用是导致疲劳裂纹萌生的主要原因;对于Mg-Ni-Al FSLW接头则是中间层镍导致了接头疲劳裂纹萌生。Mg-Al和Mg-Ni-Al FSLW接头疲劳裂纹扩展方向主要受（0002）[2（?）（?）0]基面滑移的影响,而Mg-Cu-Al FSLW接头裂纹扩展方向受（0002）[2（?）（?）0]基面滑移和（（?）012）[（?）01（?）]孪晶的共同作用。本文表征了接头腐蚀产物和表面腐蚀形貌,建立了接头腐蚀模型,分析了中间层材料对Mg-Al FSLW接头腐蚀行为的影响。结果表明,与Mg-Al FSLW接头腐蚀相比,添加中间层铜,促使溶液中的电子传送至镁、铝合金,加快了接头中镁、铝合金的腐蚀速率,加大了腐蚀程度。添加中间层镍后,铝合金与镍之间的电子转移量降低,减缓了铝合金的腐蚀速率与腐蚀程度;镁合金与镍之间的电子转移量增加,加快了镁合金的腐蚀速率与腐蚀程度。
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