简介概要

含钪焊料对2195铝锂合金焊缝组织性能的影响

来源期刊：稀有金属2003年第6期

论文作者：王永李彦利胡捷侯德龙李德富

关键词：铝锂合金; 焊接接头强度; 钪;

摘要：采用设计的焊丝进行焊接2195铝锂合金试验及焊后热处理试验, 通过对焊态焊缝和热处理后的焊缝的拉伸性能、微观组织分析和研究, 分析了焊丝中钪的添加, 在2195铝锂合金焊缝形成Al3(Sc1-xZrx)和Al3Sc强化相, 可以有效的细化焊缝晶粒, 改进2195合金焊缝的组织结构, 降低焊接裂纹倾向性, 显著提高焊缝的强度.

稀有金属 2003,(06),842-844 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.041

含钪焊料对2195铝锂合金焊缝组织性能的影响

李德富胡捷李彦利侯德龙

北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心,北京有色金属研究总院加工工程研究中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

采用设计的焊丝进行焊接 2 195铝锂合金试验及焊后热处理试验 , 通过对焊态焊缝和热处理后的焊缝的拉伸性能、微观组织分析和研究 , 分析了焊丝中钪的添加 , 在 2 195铝锂合金焊缝形成Al3 (Sc1 -xZrx) 和Al3Sc强化相 , 可以有效的细化焊缝晶粒 , 改进 2 195合金焊缝的组织结构 , 降低焊接裂纹倾向性 , 显著提高焊缝的强度

关键词：

铝锂合金;焊接接头强度;钪;

中图分类号： TG406

收稿日期：2003-06-20

基金：军工配套项目资助;

Effect of Scandium on Microstructure of 2195 Joint Aluminium-Lienchance

Abstract：

The weld test and heat treatment after weld were carried out by using the designed filler metals. According to the study and analysis of the tensile strength and microstructure of the as welded and heat treatment weld samples, the form of Al 3 (Sc 1- x Zr x ) and Al 3Sc and the effect of the addition of scandium in filler metal on 2195 aluminium lithium alloy weld were studied. The research showed that the addition of scandium in filler metal could effectively fine the particle of wold zone, improve the weld microstructure, reduce the hot crack sensitivity, and greatly enchance the weld joint strength.

Keyword：

aluminium lithium alloy; strength of weld joint; scandium;

Received： 2003-06-20

采用铝锂合金焊接结构替代传统的铆接结构, 可以大幅度减轻飞行器结构重量、提高结构的刚度、节约燃料、节省装配时间, 可以显著提高飞行器的承受有效载荷能力, 产生极大的技术经济效益。 2195合金是美国Lockheed公司专为飞机贮箱研制的, 该合金的强度比2090合金高, 可取代原来使用的2219合金。新设计的贮箱称作超轻燃料贮箱 (Super Light Weight Tank) , 采用整体焊接结构, 与原来的贮箱相比, 减轻重量3405 kg, 每减轻1 kg重量就增加1 kg的有效载荷, 整个增加3405 kg有效载荷。按现行进入空间轨道的航天运载器每kg 22026美元计算, 可获取近7500万美元的经济效益, 1996年直径8.2 m, 长度12.2 m的贮箱通过了结构强度试验。美国“发现号”航天飞机燃料箱使用2195的焊接结构, 使整个燃料箱减重3300 kg ^[1] 。

我国已经开展了高强可焊铝锂合金2195的研究工作, 开展与2195合金配套的焊丝材料的研究十分迫切。本文研究目的是分析自行研制开发的焊丝对2195合金焊缝组织性能的改进及焊接接头力学性能的提高 ^[2,3] 。

1 焊接试验

焊接板厚为2 mm 的2195铝锂合金 (Al-4.0Cu-1.0Li-0.4Mg-0.4Ag-0.14Zr) , 采用直径为2 mm焊丝Al-Cu-Mg-Zr-Ti系 (1^#) 和Al-Cu-Sc-Zr-Ti系 (2^#) 。焊接前, 2195-T8板材和焊丝都经过在25%的NaOH溶液, 5%的HNO₃溶液中清洗除去表面的氧化皮和可能的污物, 有利于消除焊接后焊缝气孔。

2 钪对焊缝力学性能影响

为了研究各元素对焊缝性能的影响, 分别进行焊态和焊后热处理的焊缝拉伸实验, 并进行对比分析见表1。

焊缝力学性能表明 (表1) , 采用含钪的焊丝, 能够极大改善合金的可焊性, 可显著提高2195合金的焊接接头强度系数。

3 钪对2195铝锂合金焊缝区 (WZ) 的形貌特征影响

在焊丝中添加Sc可有效提高2195-T8合金的焊接性, 采用同时含Sc和Zr的2^#焊丝焊接2195合金, 能够改进焊缝组织形成细小等轴晶 (图1 (a) ) 。而焊丝合金中不含Sc的焊缝, 粗大枝晶组织明显 (图1 (b) ) 。根据试验, 2^#焊缝由于初晶相Al₃ (Sc_1-xZr_x) 和Al₃Sc颗粒的存在, 等轴晶在焊接接头焊缝区形成。等轴晶的形成是由于Sc在焊缝枝晶单元边界富集; Al₃Zr分解后固溶到Al₃Sc相中, 形成Al₃ (Sc_1-xZr_x) 相显著。其中Al₃ (Sc_1-xZr_x) 是L1₂晶体结构, 晶体点阵常数与铝接近, 与Al₃Sc相颗粒相同, 主要的Al₃ (Sc_1-xZr_x) 颗粒能够显著细化铝合金晶粒 ^[3,4] 。

表1 焊缝的拉伸强度 (去除余高) 下载原图

Table 1 Tensile strength of the weld

表1 焊缝的拉伸强度 (去除余高)

4 钪对焊接区相分布的影响

4.1 焊缝区 (WZ)

在经过热处理后的2^#焊缝的焊缝区 (WZ) , TEM明场图像表明 (图2 (a) ) , 棒状颗粒主要是Al₃Sc, 少量是Al₃ (Sc_1-xZr_x) , Al₃Sc是主要的强化相使焊缝区的强度显著提高。添加少量Zr的Al₃ (Sc_1-xZr_x) 第二相颗粒形成, Al₃ (Sc_1-xZr_x) 是Al₃Sc相的替代固溶体, 其中Sc被Zr替代, 晶格类型不变, 晶格参数略微改变。 Zr最多可替代50%的Sc。 Al₃ (Sc_1-xZr_x) 是一个成分变化的相, 取决于Zr的含量和在其中的固溶量 ^[5,6] 。由Al-Sc-Zr相图可知这种合金在α+Al₃ (Sc_1-xZr_x) +Al₃Zr三元相区的边界的α+Al₃ (Sc_1-xZr_x) 相区, 在Al₃ (Sc_1-xZr_x) 中Sc原子含量的50%必须被Zr原子替代。与Al₃Sc颗粒相比, 在焊接高温, Al₃ (Sc_1-xZr_x) 保持高弥散度, 因此能细化焊缝组织和强化焊缝。利用SEM观察发现在经热处理后的2^#焊缝的焊缝区 (WZ) 可观察到Al₂Cu相 (图2 (b) ) 和少量的Al₃Zr。

根据以上分析, 经过热处理后, 2^#焊缝的焊缝区 (WZ) 主要包含Al₂Cu, Al₃Sc, Al₃Zr沉淀相。

4.2 熔合区 (FZ)

由于熔池边缘靠近固态母材处, 液态金属的温度较低、流动性较差, 液态停留时间较短, 受到机械力的搅拌作用比较弱, 是一个滞留层, 该处熔合的母材与填充金属不能充分混合, 并且越靠近母材, 母材成分所占的比例越大。焊缝中的合金元素向熔化了的母材中的扩散, 最终形成一个合金元素浓度梯度。

Sc, Zr和Ti等合金元素浓度的变化必然带来组织的变化, 从而形成一个成为熔合区的过渡区, 该区很窄, 用常规的金相腐蚀方法观察, 仅能看到近似于一条线, 即熔和线。该区域与其他区域组织不同, 且连续变化。

图1 焊态焊缝区 (a) 2#; (b) 1#

Fig.1 As-welded WZ

图2 经热处理后2#焊缝区Al3Sc TEM 明场相和Al2Cu SEM 显微照片 (a) Al3Sc; (b) Al2Cu

Fig.2 Micrograph Al₃Sc₃ TEM bright field and Al₂Cu SEM of 2^# filler metal in WZ after heat treatment

图3 热处理后2#焊缝的FZ 的Al3Sc和T1 (Al2CuLi) TEM 明场相 (a) Al3Sc; (b) T1 (Al2CuLi)

Fig.3 Micrograph Al₃Sc₃ and T1 (Al₂CuLi) TEM bright field of No.2 filler metal in FZ after heat treatment

通过SEM和TEM观察和分析, 在热处理后的2^#焊缝的溶合区 (FZ) , 主要包括Al₂Cu、粗大的T1 (Al₂CuLi) 、少量的Al₃Sc和Al₃Zr沉淀相 (图3) 。而经过热处理后的1^#焊缝的溶合区 (FZ) 没有Al₃Sc沉淀相。根据焊缝的相组成分析表明, 可通过选择适当的焊丝和焊接工艺参数改进FZ的化学成分和微观组织实现。