基于素化原理的镁合金焊缝跨尺度镶嵌型微观组织强化机理

Sustainable development plain materials with improvement comprehensive performance is created through regulating and controlling of different scales of crystal defect instead of alloying. It is a key problem that how to ensure the microstructure and properties of weld metal matching with that of plain materials during promotion and application in the future. Based on the preliminary findings of exploration, AZ31 magnesium alloy weld is chosen as the research object. By means of melt processing technology, weld containing nano-scale particles is achieved, from which effects of micro-alloy elements on interface structure between the nanoscale particles and weld matrix in welding pool are investigated. The influence of cooling rate, concentration undercooling and particles in weld pool on columnar crystal growth are studied. The mechanism of particle nucleation and columnar-to-equiaxed transition will be revealed. Controlling of weld pool solidification conditions is carried out to obtain submicron scale weld matrix, upon which the nano-scale particles are embedded. The welds with characteristic of the embedded microstructure will have high performance. By this project, the theoretical basis can be provided for microstructure and performance control.

在不改变金属材料成分的情况下，通过调控不同尺度的晶体缺陷大幅度提高材料的综合性能，制造出可持续发展的“素化材料”，如何保证焊缝金属的组织和性能与其相匹配是该类材料应用的关键。本项目将在前期探索研究的基础上，拟选用AZ31镁合金焊缝为研究对象，利用熔体处理技术制备含高熔点纳米尺度质点的焊丝，研究微合金元素对焊接熔池中质点与新相界面结构的影响，研究焊接熔池柱状晶固液界面前沿成分过冷、高熔点质点以及凝固速率对焊缝柱状晶长大的影响规律，揭示微合金元素促进质点形核机理和焊缝柱状晶-等轴晶转变的机制，获得纳米尺度质点与微米级焊缝晶粒成跨尺度镶嵌型组织结构特征的焊缝，实现镁合金焊缝的强化，为基于素化原理的镁合金焊缝组织与性能调控提供理论依据。

低合金化镁合金因其良好的可加工性、优异的耐蚀性及低成本等优势成为变形镁合金发展的重要趋势之一，焊接连接已成为此类材料推广应用的关键。然而低合金化镁合金熔化焊焊缝组织粗大、有效强化相少而导致焊接强度不匹配等问题严重制约了其在关键领域的进一步应用。本项目的主要研究工作包括：研究不同冷速下Y微合金化的AZ31镁合金力凝固析出行为，揭示了高冷速下强化机理；研究焊丝Y含量、MgO颗粒对AZ31镁合金焊缝显微组织的影响，阐明了细化机制。. 研究表明：Y微合金化的AZ31镁合金而原位反应生成的微米级Al2Y以及过饱和析出的纳米级Al2Y硬质颗粒在拉伸变形过程中可以阻碍位错的滑移，塞积位错，提高了合金力学性能；热挤压过程能够显著的破碎和分散Al2Y、MgO颗粒，焊丝中颗粒的状态对焊缝中分布具有明显的组织遗传性。利用含Y的焊丝对AZ31镁合金母材进行填丝TIG焊接时，由于母材熔化进入焊接熔池补充了焊丝中因消耗的Al元素而减小的成分过冷度，因此Al2Y颗粒激活成有效的形核颗粒，形核率提高进而晶粒细化；在熔铸过程中，MgO颗粒的加入温度对其分散有显著影响，在780℃下加入MgO颗粒其分散效果较好，后续通过制备焊丝将其引入焊缝起到了很好的异质形核作用，因此AZ31由粗大的柱状晶向细小的等轴晶转变，晶粒尺寸细化至43μm。. 本项目的开展深入揭示了焊丝中Y微合金化、MgO颗粒对焊缝柱状晶向等轴晶转变及其强化机理，加深了对成分过冷及异质形核的理解，提供了优化焊丝合金成分或通过焊丝向熔池中引入高热稳定性的强化颗粒调控低合金化镁合金焊缝微观组织优化焊接接头力学性能的新思路，对镁合金焊接冶金提供了实验依据和理论指导。