基于高熵效应的镁铝异质金属焊接组织演变及界面反应机制研究

Magnesium alloys and aluminum alloys are the lightest two structural metallic materials, and their joint can reduce the structure weight to increase the performance of spacecraft and vehicles. However, brittle intermetallic compound layer can be easily formed when welding Mg and Al, and serious deteriorate the mechanical properties of the joints. High-entropy effect can inhibit the formation of intermetallic compounds, and make the material have relatively simple crystal structures, and besides, the high-entropy alloys have excellent mechanical properties. The research of this application is based on the high-entropy effect theory, and the high-entropy effect is introduced into welding of Mg and Al. It is expected to form the weld of high-entropy alloy, in order to increase the strength of Mg-Al joint. In this application, the compatibility law between the alloying elements is analyzed, and the mechanisms of element selection and composition design are researched, and the high-entropy welding consumables can be produced based on the mechanisms. The high-entropy welding consumables can be used to weld Mg and Al, and the relation between the microstructures and the mechanical properties is researched. The microstructural evolution and interfacial reaction mechanism of the high-entropy weld are revealed, and the theory of high entropy response is analyzed based on thermodynamics. Finally, the basic theoretical system can be established based on the high entropy effect theory of Mg-Al welding. A theoretical basis can be provided for high strength welding of Mg and Al through the research of this application, and new ideas and new methods can also be provided for the connection of heterogeneous metals with difficulties of welding.

镁、铝合金是目前最轻的两种工程金属结构材料，二者的连接可以减轻结构重量，提高航天器和汽车等运载工具性能。然而，镁铝异质金属在焊接过程中极易生成高脆性金属间化合物层，严重恶化接头力学性能。高熵效应可以抑制金属间化合物的生成，使材料具有晶体结构简单、机械性能优良等特点。本申请项目以高熵效应理论为基础，将多主元高熵效应引入到镁铝异质金属焊接中，通过形成高熵化合金焊缝，提高镁铝异质金属焊接接头强度。本项目将分析合金元素之间的相容性规律及形成高熵合金的成分条件窗口，揭示高熵合金焊材元素选择及配比设计机制；利用高熵合金焊材对镁铝异质金属进行焊接，分析微观组织与力学性能之间内在联系，揭示高熵化合金焊缝组织演变规律以及界面反应机制，通过热力学对高熵效应焊接进行理论分析，形成基于高熵效应的镁铝异质金属焊接工艺体系。本研究将为镁铝异质金属的高强度连接提供理论依据，为异质难焊金属的连接提供新思路和新方法。

镁合金和铝合金异种金属在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景，实现这两种材料的连接不仅能利用这两种金属各自的优点，还能进一步减轻构件重量。但是镁/铝之间焊接极易产生金属间化合物（Intermetallic compounds, 简称IMC），例如Al3Mg2、Al12Mg17等。这些金属间化合物具有室温脆性，且在焊缝中呈层状分布，导致镁/铝异种金属接头的力学性能很低。因此要提高焊接接头的力学性能，最重要的是改善Mg-Al金属间化合物的分布状态或者减少金属间化合物的生成。本文基于合金化的思想，研究了镁/铝异种金属钨极氩弧对接焊。通过添加不同金属以及合金到镁/铝异种金属焊缝中，使镁/铝之间形成一个多元的合金化焊缝。通过计算和设计填充金属的成分，能精确控制镁/铝异种金属焊缝力学性能薄弱区中的成分，从而达到调控焊缝中金属间化合物的含量以及分布状态的目的。在此基础上研究了变质剂对镁/铝异种金属焊缝微观组织、力学性能的影响规律。开发出了适用于镁/铝异种金属焊接的填充金属。并研究了使用不同填充金属时，焊缝中形成的金属间化合物与母材以及焊缝中固溶体的匹配度对接头抗拉强度的影响规律。同时讨论了焊缝中金属间化合物的含量对接头抗拉强度的影响。最后阐明了焊缝晶粒的大小对接头抗拉强度的影响规律。.通过计算和设计填充金属的成分，调控焊缝力学性能薄弱区中金属间化合物的含量以及分布状态。当使用Zn-30Al作为填充金属时，力学性能薄弱区中先析出α-Al，接头的平均抗拉强度显著提高，达到120 MPa。为了在Zn-30Al基础上进一步提高接头的抗拉强度，研究了变质剂Ce、SiC纳米颗粒以及Ti对焊缝微观组织和力学性能的影响规律。结果表明，SiC纳米颗粒改变了焊缝的微观组织，使对焊缝有益的共晶组织消失，接头的抗拉强度和使用Zn-30Al相比也显著降低。焊缝的微观组织对Ce含量的变化比较敏感，当Zn-30Al中加入0.05 wt.%的Ce时，接头的抗拉强度最高，达到了132 MPa。Ti元素也能显著影响镁/铝异种金属接头的微观组织和力学性能，当Zn-30Al中加入0.5 wt.%的Ti时，和使用Zn-30Al作为填充金属相比，焊缝中先析出的α-Al枝晶平均尺寸从35 μm被细化到了10 μm，焊接接头平均抗拉强度也显著提高，达到了151 MPa。该强度为镁铝异质金属目前采用熔化焊报道的最高强度。