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稀有金属2016年第11期

铝锂合金电子束焊缝超塑性变形行为与显微组织

陈龙 程东海 陈益平 胡德安 郑森

南昌航空大学航空制造工程学院

摘 要：

通过高温拉伸试验研究了5A90铝锂合金电子束焊接头超塑性变形行为,并采用光学显微镜(OM)对接头变形前后的显微组织进行观察。研究结果表明,5A90铝锂合金电子束焊接头具有良好的超塑性变形能力,接头的延伸率随温度的升高和应变速率的增大而先增大再减小,试样的最佳变形参数为450℃,5×10~(-3)s~(-1),在此参数下试样的延伸率达到最大171.1%。变形后焊缝的组织由细小的等轴枝晶转变为较为粗大的等轴晶,焊缝的变形由扩散导致的晶界迁移和动态再结晶共同协调;而接头热影响区(HAZ)的组织发生较为明显的细化,主要变形机制为动态再结晶。温度的升高和应变速率的降低都有利于增强晶界迁移对焊缝变形的协调作用,同时会造成晶粒的长大,所以温度过高和应变速率过低都会使试样的延伸率下降。

关键词：

铝锂合金;电子束焊;超塑性成形;显微组织;

中图分类号： TG456.3

作者简介：陈龙(1989-),男,江西吉安人,硕士研究生,研究方向:铝锂合金电子束焊及超塑性成形;E-mail:ethan_0211@126.com;;陈益平,教授;电话:13707911135;E-mail:70269@nchu.edu.cn;

收稿日期：2015-05-26

基金：国家自然科学基金项目(51465042)资助;

Superplastic Deformation Behavior and Microstructure of Electron Beam Welded Aluminum Lithium Alloy

Chen Long Cheng Donghai Chen Yiping Hu Dean Zheng Sen

Aviation Manufacturing and Engineering College,Nanchang Hangkong University

Abstract：

Superplastic deformation behavior of electron beam welded joints of 5A90 aluminum lithium alloys was researched by high temperature tensile test,and the microstructure of the joint before and after deformation was observed by optical microscopy( OM). The results indicated that the electron beam weld joint of 5A90 aluminum lithium alloy presented good superplasticity,the deformation rate of joints first increased and then decreased with the increase of the deformation temperature and strain rate,and the optimal deformation parameters of the sample was 450 ℃,5 × 10~(-3)s~(-1),at which the elongation of the specimen reached maximum 171. 1%. The fine equiaxed dendrite of the weld transformed into coarse equiaxed after superplastic deformation,and the deformation mechanism of the weld was dominated by grain boundary migration and dynamic recrystallization; the microstructure of heat affected zone( HAZ) was refined after superplastic deformation,and the main deformation mechanism of HAZ was dynamic recrystallization. The coordinating role of grain boundary migration on the weld deformation was enhanced with tensile temperature increasing and initial strain rate decreasing,which caused growth of grain,so temperature which was too high or strain rate which was too low would decrease elongation of the sample.

Keyword：

aluminum lithium alloy; electron beam welding; superplastic deformation; microstructure;

Received： 2015-05-26

铝锂合金由于具有密度低、比刚度大、比强度高、超塑性变形性能良好等优良性能,在航空航天领域得到广泛的应用 ^[1] 。但铝锂合金存在室温塑性差、断裂韧性低等问题,给零构件的加工带来很大困难。焊接/超塑性成形组合工艺在多层空心轻量化结构及异形复杂零件的成形方面有着极大的优越性,能够解决铝锂合金加工成形难的问题 ^{[2,3,4,5,6,7]} 。超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺技术是目前焊接/超塑性成形组合工艺中应用最成熟的组合工艺,已被应用于许多航空航天零构件的生产中,并且产生了极大的经济效益 ^[8] 。然而SPF/DB组合工艺在铝锂合金成形的应用中,却存在加热时易在表面形成氧化膜给连接造成困难等问题 ^[9,10] 。真空电子束焊是在真空条件下进行,可以有效防止焊缝氧化,并且形成的焊缝窄、组织细小、变形小 ^[11,12] ,能形成力学性能良好的焊板并适用于多层结构的制作,所以电子束焊接/超塑性组合工艺有望制造出性能更优良的结构件。然而铝锂合金电子束焊接接头是一个不均匀体,必然与一般均匀材料的超塑性变形存在很大不同。因此,本文对铝锂合金电子束焊/超塑性组合工艺中电子束焊焊板的超塑性变形行为及组织进行了研究,以期为超塑成形/电子束焊组合工艺的实际应用提供理论和试验基础。

1 实验

试验材料为2 mm厚5A90铝锂合金板材,其化学成分如表1所示。电子束焊接试验在ZD150-30C CV65M型电子束焊机上进行,采用的焊接速度为25 mm·s^-1,加速电压为90 k V,聚焦电流为1570 m A,电子束流为16 m A。焊缝宽度约为3mm,焊缝成形良好,经X射线探伤仪检测焊缝内部没有观察到气孔或裂纹。高温拉伸试验在RG2000-20型微机控制电子万能试验机上进行,拉伸前试样先保温15 min。变形温度:425~500℃,应变速率:5×10^-4~1×10^-2s^-1。拉伸试样尺寸如图1所示,拉伸试样变形部分的宽度为6 mm,包括了接头(焊缝、热影响区)和母材两个部分。金相试样在接头均匀变形部分截取,使用金相试样经过水砂纸进行粗磨、精磨后,再进行机械抛光。显微组织的侵蚀采用Keller试剂:1 ml HF+1.5ml HCl+2.5 ml HNO₃+95 ml H₂O。使用光学显微镜(OM)观察接头各区域的显微组织形貌。

图1 高温拉伸试样尺寸示意图Fig.1 Dimension of samples for hot tensile tests(mm)

表1 5A90铝锂合金板材主要化学成分Table 1Chemical compositions of 5A90 Al-Li alloy(%,mass fraction)  下载原图

表1 5A90铝锂合金板材主要化学成分Table 1Chemical compositions of 5A90 Al-Li alloy(%,mass fraction)

2 结果与讨论

2.1 焊板的力学性能

图2为应变速率对焊板应力应变曲线的影响图。由图2可以看出,电子束焊焊板的应力应变曲线没有屈服点,焊板拉伸过程中没有弹性变形过程,而是直接进入了塑性变形。在高温拉伸过程中,焊板受到高温的作用,已经充分软化。另外,应力应变曲线在进入稳态阶段后都呈锯齿状,表现出明显的超塑性变形特征。焊板在超塑性变形过程进入稳态阶段后,应变硬化与再结晶软化达到动态平衡,流动应力在一个小范围内波动。从图2中还可以看出,随着应变速率的增大,焊板的应力应变曲线整体上移。应变速率是影响焊板超塑性变形行为的重要因素之一,随着应变速率增大,材料内部变形协调的时间变短,变形协调能力变弱,使得应力集中,应力应变曲线整体上移,这也表明5A90铝锂合金是一种正应变速率敏感材料。

图2 应变速率对焊板应力-应变曲线的影响Fig.2Relationships between stress-strain curve and initial tensile parameters

图3所示为变形参数对焊板延伸率的影响。如图3所示,焊板的延伸率随温度的升高而先增大后减小,随应变速率的增大而先增大后减小,在450℃,5×10^-3s^-1达到最大,达到171%。分析认为,温度升高有助于促进晶界滑移及扩散蠕变能力的提高,并加强了再结晶软化作用,提高焊板内部组织的变形协调能力,从而增加焊板的延伸率;而温度过高时,会使晶粒长大严重,且试样容易被氧化,造成焊板延伸率的下降。所以,温度过高反而会对焊板超塑性变形能力产生不利影响。应变速率降低,材料内部有更多的时间来协调变形,有助于提高焊板的延伸率,但是应变速率过低时,焊板在高温停留时间过长,晶粒长大严重,反而会使焊板的延伸率下降。当温度高于475℃时,材料内部组织的软化程度已经不是影响焊板超塑性变形性能的主要因素,影响焊板超塑性变形性能的主要因素是高温而引起的晶粒长大,而在较高的应变速率时,焊板拉伸变形的时间都很短,在短时间内晶粒来不及长大,所以温度在475~500℃内,应变速率由1×10^-3s^-1增大到1×10^-2s^-1,焊板的延伸率都没有明显的变化。

2.2 变形前接头显微组织

图4所示为5A90铝锂合金电子束焊接头焊缝与热影响区超塑性变形前的显微组织。如图4(a)所示,焊缝组织是由细小的等轴晶和二次枝晶较为发达的等轴树枝晶组成,在晶界和枝晶界分布较多的α+δ(Al Li)二元共晶组织和短棒状的α+δ(Al Li)+T(Al₂Mg Li)的三元共晶组织。图4中颜色较深的部分为被腐蚀剂腐蚀掉的晶界的共晶组织 ^[13] 。图4(b)所示为接头热影响区组织,受焊接热循环影响热影响区组织发生了较为明显的粗化,并且在热影响区晶界上析出了一些尺寸较大的强化相质点。

图3 拉伸参数对焊板延伸率的影响Fig.3 Effects of forming parameters on elongation of weld joint

图4 超塑性变形前焊缝和热影响区的显微组织Fig.4OM images of microstructure of weld center(a)and heat affected zone(b)before superplastic deformation

2.3 变形后接头显微组织

图5为变形后接头焊缝与热影响区的显微组织。从图5中可以看出,变形后焊缝区组织发生了较为明显的长大,组织由尺寸较小的等轴晶和等轴枝状晶转变为了粗大的等轴晶,原本存在于晶界和枝晶间的大量共晶组织和晶界偏析现象已经基本消失(如图5(a))。共晶组织中富集的合金元素和晶界偏析的元素,在高温拉伸的作用下非常容易进行扩散,并导致晶界迁移,焊缝晶粒在发生晶界迁移的同时修复拉伸产生的缺陷,松弛应力集中从而协调试样的变形 ^[14,15] 。扩散导致的晶界迁移协调焊缝变形的同时也导致了焊缝晶粒的长大,并且晶界有向着减少界面能的趋势演化,使晶界变得圆弧化,所以焊缝中的等轴枝状晶都转变为了粗大的等轴晶。从图5(a)中还可以看出,在粗大等轴晶周围还有一些尺寸细小的晶粒,说明焊缝在变形过程中也发生了动态再结晶,所以分析认为接头的超塑性变形是由扩散导致的晶界迁移和动态再结晶共同协调作用的。

图5 在450℃,5×10-3s-1时变形后焊缝与热影响区组织Fig.5 OM images of microstructure of weld center(a)and heat affected zone(b)after superplastic deformation at 450℃,5×10-3s-1

从图5(b)中可以看出,热影响区组织发生了较为明显的细化,粗大的晶粒已经细化成许多尺寸细小的等轴晶。受焊接热循环影响,热影响区的组织粗大,并且析出了许多粗大的强化相质点,超塑性变形时,由于热影响区处于焊缝与母材的交界处,容易形成应力集中与变形不均匀性。在变形应力的作用下热影响区大晶粒中会形成不稳定的亚晶界网络,并且随着变形的进行这些亚晶界通过吸收位错变成大角度晶界,从而使大晶粒得到细化,并推动超塑性变形的进行 ^[16,17] 。同时热影响区中存在许多粗大的强化相,也能有利于再结晶的形核和长大,所以热影响区发生了明显的再结晶,超塑性变形协调机制以动态再结晶为主。

2.4 应变速率对显微组织的影响

图6所示为变形温度为450℃,各应变速率下试样变形到100%时焊缝的显微组织。从图6中可以看出,随着应变速率的变小,焊缝的平均晶粒尺寸不断增大。当应变速率为1×10^-2s^-1时,焊缝平均晶粒尺寸最小只有31μm,这是因为当应变速率大时,试样变形产生的形变能多,除了扩散迁移所消耗的形变能,仍有较多的形变能促进动态再结晶的进行,动态再结晶对焊缝的变形协调作用更强。动态再结晶可以细化焊缝的晶粒,有利于增强焊缝的超塑性变形能力,但应变速率过大时,变形协调来不及进行,会造成应力集中,反而不利于试样的超塑性变形,使得接头的延伸率下降。当变形温度为450℃,应变速率由5×10^-3s^-1增加到1×10^-2s^-1时,试样的延伸率由171.1%下降到149.6%。

随着应变速率减小,试样变形产生的变形能变少,大部分的形变能被晶界迁移所吸收,此时焊缝的超塑性变形机制以扩散导致的晶界迁移为主,而再结晶对变形的贡献减小。应变速率小时,焊缝有足够的时间来进行合金元素的扩散和晶界迁移,从而协调焊缝的变形,可以提高试样的延伸率,但是应变速率过小时,晶界迁移会导致晶粒过度长大,降低试样的超塑性。当变形温度为450℃,应变速率为5×10^-4s^-1时,焊缝平均晶粒尺寸增大到了65μm,并且几乎都是由粗大的晶粒组成,试样的延伸率只有115.9%。

图6 应变速率对焊缝组织的影响Fig.6 Effect of strain rate on microstructure of weld

(a)1×10^-2s^-1;(b)5×10^-3s^-1;(c)1×10^-3s^-1;(d)5×10^-4s^-1

图7 变形温度对焊缝组织的影响Fig.7 Effect of deformation temperature on microstructure of weld

(a)425℃;(b)450℃;(c)475℃;(d)500℃

2.5 温度对显微组织的影响

图7所示为应变速率为5×10^-3s^-1,不同变形温度下试样变形到100%时焊缝中心组织。如图7所示,当应变速率为5×10^-3s^-1,焊缝的平均晶粒尺寸随变形温度的增大而增大。如图7(a)所示,当变形温度为425℃时,由于温度较低,元素扩散系数较小,扩散导致的晶界迁移速度较小,相对应的动态再结晶对试样变形的协调作用增大,所以变形温度为425℃时,焊缝晶粒都较为细小,尺寸较为均匀,没有尺寸超过50μm的大晶粒,平均晶粒尺寸只有32μm。

变形温度为450℃时,温度升高,原子的热激活作用增强,合金元素扩散、位错攀移等更容易进行,扩散导致的晶界迁移更容易进行,增强了试样的超塑性变形能力。但是随着晶界迁移对变形协调的贡献增大,动态再结晶则受到抑制,所以焊缝的平均晶粒尺寸增大到了39μm,如图7(b)。一定范围内温度的升高可以增强试样的软化作用,提高试样的超塑性,但变形温度过高时,会造成晶粒的过度长大,使试样的超塑性变形能力下降。在应变速率较大时,由于试样高温拉伸的时间较短,因此当试样软化充分以后温度对试样延伸率的影响开始减小。从图7(c,d)中可以看出,变形温度由475℃升高到500℃时,焊缝晶粒长大并不明显。

3 结论

1.试样的最佳变形参数为450℃,5×10^-3s^-1,在此参数下试样的延伸率达到最大171.1%。

2.变形后焊缝的组织由细小的等轴枝晶转变为较为粗大的等轴晶,变形由扩散导致的晶界迁移和动态再结晶共同协调;而接头热影响区的组织发生较为明显的细化,主要变形机制为动态再结晶。

3.温度的升高和应变速率的降低都有利于增强晶界迁移对焊缝变形的协调作用,同时会造成晶粒的长大,所以温度过高和应变速率过低都会使试样的延伸率下降。

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