原標(biāo)題：重復(fù)熱處理和補(bǔ)焊對(duì)低壓鑄造ZL104合金性能和組織的影響

Al-Si系鋁合金是一種具有較好的綜合力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性的鑄造鋁合金，目前被廣泛應(yīng)用于各類輕型發(fā)動(dòng)機(jī)。低壓鑄造具有充型平穩(wěn)、充型速率可控、溫度場(chǎng)分布合理，并且在壓力下凝固時(shí)有利于鑄件補(bǔ)縮等特點(diǎn)，生產(chǎn)出的鑄件力學(xué)性能好、組織致密，可以有效減少鑄造缺陷，因此國(guó)內(nèi)鋁合金鑄造越來(lái)越多的使用低壓鑄造的方式進(jìn)行。

然而鋁合金鑄件，特別是Al-Si合金鑄件的尺寸、組織和性能受限于鑄造工藝和生產(chǎn)過(guò)程，鑄造后結(jié)構(gòu)件不可避免的存在氣孔、縮孔、冷隔等缺陷，對(duì)其性能造成很大的影響[4]。特別是鋁合金鑄件在熱處理之后，經(jīng)過(guò)打磨處理、熒光過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)需要二次補(bǔ)焊的缺陷。同時(shí)鋁合金由于熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)高，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合以及氧化膜或夾雜（主要是Al2O3）等缺陷，最終也會(huì)導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)二次補(bǔ)焊的情況，而現(xiàn)階段尚未見(jiàn)多次補(bǔ)焊和重復(fù)熱處理對(duì)低壓鑄造鋁合金鑄件組織和力學(xué)性能影響的研究。

本課題以ZL104合金為試驗(yàn)合金，采用低壓鑄造熔模板狀試棒，針對(duì)反復(fù)補(bǔ)焊區(qū)域顯微組織和力學(xué)性能展開(kāi)研究，以其為低壓鑄造鋁合金重復(fù)熱處理和多次補(bǔ)焊鋁合金鑄件的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考

一：試驗(yàn)方法

以99.99%高純鋁、AlSi12A中間合金及99.99%精鎂錠為原料，采用150 kg、加熱功率75 kW電阻坩堝爐進(jìn)行合金熔煉。合金經(jīng)過(guò)熔化、氬氣懸吹精煉、撇渣靜置之后，將溫度調(diào)整至720~730 ℃之間，采用熔模低壓鑄造方式，鑄型為常溫，澆注溫度為730±5 ℃，升液/充型速度為120 mm/s，澆注壓差為40 kPa，結(jié)晶時(shí)間為80 s。最終澆注成板狀試樣，試樣尺寸為180 mm×40 mm×12 mm，試樣結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。采用OBLF-QSN-II發(fā)射光譜儀檢測(cè)試驗(yàn)合金成分，結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)Quanta FEI 400場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡附帶的Oxford 50型能譜儀分析ZL104合金隨著焊接次數(shù)的增加，檢測(cè)各主要元素的燒損情況。試樣焊接完成后按照HB963-2005Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)采用2515射線機(jī)，電流為12 mA，電壓為65 kV，完成射線檢測(cè)。

圖1 板狀試樣

表1 ZL104合金成分（%）

在試樣上直接機(jī)加出模擬補(bǔ)焊所需凹坑，二次、三次模擬凹坑應(yīng)與一次模擬凹坑位置相同，見(jiàn)圖2，采用氬弧焊補(bǔ)焊ZL104A板狀試樣的模擬補(bǔ)焊區(qū)域機(jī)加凹坑，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)圖3

T6熱處理：固溶溫度為540±5 ℃，保溫時(shí)間為12 h；淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間小于10 s，淬火介質(zhì)為50~60 ℃水，水中保溫時(shí)間為4~5 min。時(shí)效溫度為175±5 ℃，保溫11 h，出爐空冷。將焊接好的試樣經(jīng)T6熱處理，在焊接區(qū)域加工出拉伸試樣，區(qū)域見(jiàn)圖4。

所需顯微組織試樣，經(jīng)打磨、機(jī)械拋光后，使用1 mL HF+1.5 mL HNO3+2.5 mL HCl+95 mL H2O的溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間15 s，然后用酒精吹洗干凈，最后在EPIPHOT 300型金相顯微鏡上觀察試樣顯微組織。根據(jù)圖3中試驗(yàn)步驟需要，截取不同區(qū)域進(jìn)行拉伸和硬度測(cè)試。試樣拉伸標(biāo)距為30 mm，中間直徑為6 mm，在DDL50電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速度為2 mm/min，測(cè)定試樣抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率。試樣硬度測(cè)試在THB-3000E電子布氏硬度計(jì)上完成。

圖2 焊接部位機(jī)加工示意圖[4]

表2 焊接工藝參數(shù)

圖3 重復(fù)熱處理與多次補(bǔ)焊試驗(yàn)步驟

圖4 取樣部位示意圖

二：試驗(yàn)結(jié)果分析

焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)

圖5為未補(bǔ)焊和補(bǔ)焊一次、二次、三次X射線探傷底片?？梢钥闯?，每次焊接后，旱區(qū)與母材過(guò)渡良好，經(jīng)X射線檢測(cè)符合HB963-2005Ⅰ類件要求，外觀檢查無(wú)宏觀缺陷，經(jīng)熒光檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

圖5 X射線探傷底片

拉伸試驗(yàn)

分別對(duì)未補(bǔ)焊、一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊的試樣按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行T6熱處理。表3為抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，每次補(bǔ)焊后試樣抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均有所減小，且斷裂位置均在焊接區(qū)域。一次、二次、三次焊接熱處理后與未焊接試樣相比，抗拉強(qiáng)度分別降低8.4%、13.1%、20.3%，伸長(zhǎng)率分別降低14.1%、34.3%、52.1%。但多次補(bǔ)焊和熱處理的試樣抗拉強(qiáng)度、硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，這是由于低壓鑄造方式的優(yōu)越性使鋁合金的性能大幅度提高，可以補(bǔ)充流線缺陷對(duì)鋁合金性能的不利影響。

表3：力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

硬度試驗(yàn)

圖6為未補(bǔ)焊、一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊試樣經(jīng)過(guò)熱處理后焊接中心、離焊接中心區(qū)域7.5、15、22.5 mm處的硬度?？梢钥闯觯囱a(bǔ)焊試樣熱處理后硬度（HB）最高達(dá)到98，三次補(bǔ)焊試樣熱處理后硬度（HB）最低，只有86，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，試樣整體硬度呈遞減趨勢(shì)，不過(guò)試樣硬度只有小幅度降低，遞減趨勢(shì)不明顯，試樣硬度仍明顯高于HB962-2001標(biāo)準(zhǔn)中硬度（HB）的要求。從圖7中還可以觀察到，一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊熱處理后，補(bǔ)焊熔合區(qū)硬度均低于母材硬度，三次補(bǔ)焊后硬度下降了12.2%。

圖7 重復(fù)補(bǔ)焊和熱處理不同區(qū)域硬度分布

ZL104合金力學(xué)性能變化機(jī)制研究

鑄態(tài)和一次焊接后試樣中心區(qū)域金相組織見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，試樣鑄態(tài)組織為枝晶組織，鑄造組織一般不夠致密，具有微觀縮松的傾向，在焊接的過(guò)程中容易出現(xiàn)直徑很小的顯微氣孔[4]。并且焊后組織凝固速度較快，且Al-Si合金呈明顯的枝晶組織，易于在得不到充分補(bǔ)縮時(shí)形成縮松。從圖8b可以看出，焊縫區(qū)域組織、焊接熱影響區(qū)與鑄造基體組織存在較大差異，焊縫區(qū)域組織具有明顯的條狀第二相分布，其在試樣拉伸的過(guò)程中割裂基體，對(duì)試樣性能產(chǎn)生不利影響。從圖8b中還可以看出，試樣熱影響區(qū)組織有所長(zhǎng)大，根據(jù)Hall-Petch公式可知，晶粒越大，試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越低。綜上所述，多次補(bǔ)焊會(huì)導(dǎo)致試樣性能有所降低。

進(jìn)一步對(duì)未焊接區(qū)域以及三次焊接試樣中心區(qū)域進(jìn)行成分測(cè)定和組織分析，見(jiàn)圖9和表3。從圖9a中可以清晰看出，ZL104合金鑄態(tài)組織為枝晶組織，其中存在微觀縮松。而ZL104合金一次焊接中心組織出現(xiàn)直徑為3~6 μm的顆粒狀氣孔（見(jiàn)箭頭處），彌散分布在焊接區(qū)域。隨著焊接次數(shù)的增加，氣孔數(shù)量明顯增加，見(jiàn)圖9c、圖9d。焊接氣孔的出現(xiàn)表明試樣組織致密度降低，而且氣孔的出現(xiàn)會(huì)割裂鑄件基體，在試樣的拉伸過(guò)程中作為裂紋源，即試樣伸長(zhǎng)率隨著焊接次數(shù)的增加而顯著降低。

從表3可以看出，隨著焊接次數(shù)的增加，Mg含量明顯降低，這是由于Mg屬于易燒損元素，因此在焊接的過(guò)程中造成Mg的燒損。而Al-Si合金的主要強(qiáng)化相為Mg2Si，焊接區(qū)域析出相明顯小于母材，導(dǎo)致試樣抗拉強(qiáng)度和硬度的降低。周中波等[7]研究表明，重復(fù)熱處理會(huì)小幅度降低鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，補(bǔ)焊與重復(fù)熔鑄有一定的相似性，也會(huì)導(dǎo)致試樣硬度的小幅度降低[8]。

圖8 未焊接試樣和一次焊接的金相組織

圖9 ZL104合金能譜分析面掃描組

表3 不同焊接次數(shù)中心區(qū)域化學(xué)成分

三：結(jié)論

(1)隨著焊接和熱處理次數(shù)的增加，ZL104抗拉強(qiáng)度逐漸降低，一次、二次、三次焊接熱處理后抗拉強(qiáng)度相對(duì)于未焊接熱處理試樣分別下降8.4%、13.1%、20.3%。

(2)隨著焊接和熱處理次數(shù)的增加，ZL104伸長(zhǎng)率下降明顯，一次、二次、三次焊接熱處理后抗拉強(qiáng)度分別下降14.1%、34.3%、52.1%。

(3)隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，硬度整體有降低趨勢(shì)，焊接中心區(qū)域硬度相對(duì)母材降低最為明顯。

(4)鑄造原始鑄態(tài)組織為枝晶組織，組織不致密，隨著焊接次數(shù)的增加顯微氣孔數(shù)量有所增加導(dǎo)致試樣伸長(zhǎng)率和強(qiáng)度降低。

(5)焊接中心區(qū)域，Mg含量降低，導(dǎo)致析出增強(qiáng)相Mg2Si減少，ZL104合金強(qiáng)度和硬度也有所降低。

作者：

何益可，周中波，林琳，王笑，張飛飛

西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司