通过冷轧结合热处理处理，摩擦搅拌焊接的纳米TiB2/2024铝合金复合接头的耐腐蚀性能显著提高

《Applied Surface Science》：Significant improvement in corrosion resistance of friction stir welded nano TiB2/2024 Al composite joints by cold rolling accompanied with heat treatment

　　

张汉志|李娜|牛鹏良|张向凡|傅旭荣|刘强|刘奋成

南昌航空大学材料科学与工程学院，中国江西省南昌市330063

摘要

为了提高摩擦搅拌焊接（FSWed）原位TiB₂/2024铝基复合材料（AMC）接头的耐腐蚀性能，对其进行了冷轧结合T6热处理（CRHT）处理。采用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析了接头截面的微观结构演变。扫描电子显微镜用于观察这些电化学腐蚀区域的外观。结果表明，热影响区（HAZ）的耐腐蚀性最差，而搅拌区（SZ）的耐腐蚀性最好。对于CRHT处理后的接头，整体耐腐蚀性显著提高，接头内部的宏观电化学梯度也得到了显著均匀化。腐蚀形态表明，CRHT有效抑制了原焊接HAZ中出现的“泥裂”式晶间腐蚀模式。轧制引起的缺陷减少与热处理驱动的沉淀物再溶解的协同作用优化了微观结构的均匀性，有效破坏了原焊接接头中固有的连续晶间腐蚀网络。

引言

铝基复合材料（AMCs）因其高强度、耐磨性和轻质特性而在制造业中得到广泛应用[1]、[2]。添加如TiB₂这样的增强颗粒（具有高硬度和均匀分散性）可显著提升其性能[3]、[4]、[5]。然而，传统的熔焊方法由于环境和操作限制，常会出现气孔和接头强度低等问题[6]、[7]。摩擦搅拌焊接（FSW）作为一种固态连接技术，因其优异的接头质量和简化的工艺流程而成为一种不可或缺的方法[8]、[9]。因此，优化工艺参数以实现高性能接头是主要的研究目标。尽管FSW的热输入较低，但强烈的非均匀热机械循环和塑性变形仍会不可避免地产生较大的残余应力[10]、[11]。轧制是一种标准的成形和强化技术，能够重新分布增强相以改善材料性能[12]。为了解决搅拌区（SZ）因强烈织构而导致的脆弱性问题，焊后轧制（PWR）被证明是有效的。它通过细化晶粒和改变织构来协同增强接头强度[13]。Chen等人[14]研究表明，沿焊接方向对2195-O Al-Li合金FSW接头进行轧制后进行T6处理，可以溶解粗大的沉淀物，并促进SZ、热机械影响区（TMAZ）和HAZ中细小强化相的形成。后续研究[15]发现，PWR引入了高密度的位错和低角度晶界（LAGBs），加速了人工时效过程中细小T₁相的沉淀，从而提高了2195-T4接头的强度和硬度均匀性。类似地，Sajuri等人发现焊后冷轧通过细化晶粒和增加位错密度增强了AA5083接头的性能[16]。Gabrielli等人进一步报告称，冷轧AA5754接头通过应变硬化提高了强度，并恢复了板材厚度，同时不损害成形性[17]。焊后热处理（PWHT）对于均匀化微观结构、调整硬度和减轻残余应力或缺陷至关重要[18]、[19]、[20]。Rezende等人发现，固溶处理和人工时效（ST?+?AA）可以通过重新激活沉淀强化作用恢复AA2219接头超过90%的基体（BM）强度，但异常晶粒生长（AGG）仍对延展性构成挑战[21]。Ghazaei等人指出，PWHT改善了沉淀物的分布并抑制了AGG，尤其是在水下FSW接头中[22]。Momeni和Guillot发现，220?°C下快速进行30分钟的人工时效是一种经济有效的方法，可恢复AA6061-T6接头85%的强度[23]。然而，Alexander等人[24]观察到，预应变轧制可能在后续的固溶退火过程中无法完全抑制AGG，此时晶粒生长机制主导了微观结构的演变。总之，轧制和热处理的协同作用显著影响了TiB₂/2024 AMC FSW接头的性能。优化这些后处理参数对于细化微观结构和提高强度、韧性和耐腐蚀性的平衡至关重要。本研究不仅推动了材料科学理论的发展，还为工业应用提供了实用指导。

章节摘录

材料与方法

选择厚度为2?mm（75?mm?×?200?mm?×?2 mm）的原位TiB₂/2024 AMC板材作为焊接材料。含4?vol% TiB₂的T3状态轧制TiB₂/2024 AMC的抗拉强度为350?MPa，屈服强度为460?MPa，伸长率为16.5%。

采用1000?rpm的旋转速度和200?mm/min的焊接速度，通过FSW制备了无缺陷的2?mm厚原位TiB₂/2024 AMC对接接头。焊后进行轧制和T6热处理以调节热机械性能

基体（BM）的TEM图像

图2显示，2xxx系列铝合金的主要强化相是Guinier–Preston–Bagaryatsky（GPB）区和S相。Bagaryatsky提出了S相的公认沉淀顺序[25]。GPB区由原子簇形成，是S相的前体。随着时效过程的进行，过饱和固溶体和GPB区会转变为亚稳态的S′相，后者是平衡态S相的前体[26]。EDS分析结果揭示了...

基体（BM）和搅拌区（SZ）的晶粒特性

图10展示了基体（BM）和搅拌区（SZ）的极图（IPF）映射、晶粒尺寸分布和晶界错位映射。根据IPF映射中的参考框架，水平轴和垂直轴分别对应于横向（TD）和法向（ND），而轧制方向（RD，与宏观焊接方向WD对齐）垂直于观察平面。IPF映射中的不同颜色代表不同的晶粒...

结论

本研究系统地研究了焊后轧制和热处理对摩擦搅拌焊接TiB₂/2024铝基复合材料接头微观结构和腐蚀行为的影响。主要结论如下：

(1)

电化学和SEM分析证实，热影响区是原焊接接头中的腐蚀“薄弱环节”，其耐腐蚀性排序为SZ?>?BM?>?HAZ。HAZ表现出最高的腐蚀电流密度和严重的局部腐蚀现象

CRediT作者贡献声明

张汉志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，正式分析，数据管理。李娜：监督，软件使用，项目管理，方法论，资金获取，正式分析。牛鹏良：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，数据管理，概念构思。张向凡：可视化，验证，项目管理，方法论。傅旭荣：资源提供，调查：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（52565044、52105357）、中国博士后科学基金（2023M742223）以及上海飞机制造有限公司创新基金（3-0411300-042）的财政支持。