Zr55Al10Ni5Cu30块体金属玻璃的摩擦焊焊接

第４５卷第５期金属学级Ｖ０１．４５Ｎｏ．５２００９年５月第６２０－—６２４页ＡＣＴＡＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＭａｙ２００９ＰＰ．６２０—６２４ｚｒ５５Ａ１１０Ｎｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃的摩擦焊焊接覃作祥・，ｚ）王小京－）张海峰・）王中光－）胡壮麒・）１）中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳１１００１６２）大连交通大学材料科学与工程学院，大连１１６０２８摘要采用摩擦焊对ＺｒｓｓＡｌｌ０Ｎｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃进行了焊接，当焊机主轴转速为４．ｏ×１０３—５．ｏ×１０３ｒ／ｒｎｉｎ，摩擦压力为８ｍ—１００ＭＰａ，摩擦时间为Ｏ．２—旬．４８，顶锻压力和保压时间分别为２００ＭＰａ和２Ｓ时，能够成功实施ＺｒｓｓＡｌｌｏＮｉｓＣｕ３０金属玻璃的焊接．用ＳＥＭ，ＸＲＤ和ＴＥＭ观察分析未检测到晶化相，焊缝处金属仍保持非晶状态．金属玻璃的塑性在玻璃转变点毛附近随温度变化很大，在耳以上具有良好的塑性变形能力，这是实施摩擦焊焊接的重要基础．关键词块体金属玻璃，摩擦焊，ＺｒｓｓＡｌｌｏＮｉｓＣｕｓｏ中图法分类号ＴＧｌ３９文献标识码Ａ文章编号０４１２—１９６１（２００９）０５—０６２０—０５ＦＲＩＣＴＩｏＮＷＥＬＤＩＮＧｏＦＺｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５ＣＵ３０ＢＵＬＫＭＥＴＡＬＬＩＣＧＬＡＳＳＱＩＮＺｕｏｘｉａｎｇ１，２１，Ｗ珥ⅣＧＸｉａｏｊｉｎｇ¨，ＺＨＡＮＧＨａｉｆｅｎｇ¨，Ｗ省ⅣＧＺｈｏｎｇｇｕａｎｇ１１，日ＵＺｈｕａｎｇｑｉ１）１）ＳｈｅｎｙａｎｇＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６２）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２８Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＺＨＡＮＧＨａｉｆｅｎｇ。

ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌ：（０２４）ｅ３９７１７８３。

Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｆｚｈａｎｇ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｅｎＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｉｃａｆＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｌＣｈｉｎａＮｏ．２００６ＣＢ６０５２０１ＪａｎｄＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｆＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｌＣｈｉｎａ（Ｎｏｓ．５０８ｅ５｜；’０２ａｎｄ５０７３１００５）Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２００８－０１—２４．ｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２００９－０１～１６ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ．ｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｄｕｅｔｏｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ．ｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｅｌａｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙａｎｄｌＯＷｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ＴｈｅｓｉｚｅｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｅｓｉＳｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｍａｌｌ．ｗｈｉｃｈｉＳｔｈｅｍａｉｎｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＨＯＷｔｏｐｒｅｐａｒｅａ１ａｒｇｅｒｓｉｚｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｂｅｃｏｍｅｓｏｎｅｏｆｍａｉｎｔａｒｇｅｔｓｉｎｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｅｓｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｏｐｒｅｐａｒｅｌａｒｇｅｒｓｉｚｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｅｓ，ｏｎｅｍｅｔｈｏｄｉＳｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｉｒｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄａｎｏｔｈｅｒｉＳｔｏｊｏｉｎｓｍａｌｌｓｉｚｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｅｓｔｏｇｅｔｈｅｒｂｙｗｅｌｄｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅＺｒｓ５Ａｌｌ０Ｎｉ５Ｃｕ３０ｂｕｌｋｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓ（ＢＭＧ）ｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｊｏｉｎｔｅｄｂｙｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｆｒｏｍ４×１０３ｔｏ５×１０３ｒ／ｍｉｎ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｆｒｏｍ８０ｔｏ１００ＭＰａ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｔｉｍｅｆｒｏｍ０．２ｔｏ０．４Ｓ，ｕｐｓｅｔｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ２００ＭＰａａｎｄｕｐｓｅｔｔｉｎｇｔｉｍｅ２Ｓ．ＴｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｈａｓｂｅｅｎｅｘａｍｉｎｅｄｕｓｉｎｇＳＥＭ，ＸＲＤａｎｄＴＥＭ．ａｎｄｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｅｌｄｅｄｚｏｎｅｓｔｉｌｌｋｅｅｐｓａｎａｍｏｒｐｈｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｈａｓｓｔｒｏｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｎｅａｒｔｈｅｇｌａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ正．Ａｂｏｖｅ正，ｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｐｏｓｓｅｓｓｅｓａｇｏｏｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｗｈｉｃｈｉＳｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓｅｓ．ＫＥＹＷｏＲＤＳｂｕｌｋｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇ，Ｚｒ５５Ａ１１０Ｎｉ５Ｃｕ３０与传统的晶态合金相比，块体金属玻璃（ＢＭＧ）具有优异的物理、力学以及化学性能［１－５］．因此，块体金属玻璃已经应用于许多工程领域，如制造穿甲弹、ＭＰ３外壳、＋国家高技术研究发展计划项目２００６ＣＢ６０５２０１以及国家自然科学基金项目５０８２５４０２和５０７３１００５资助收到初稿日期：２００８—０１—２４，收到修改稿日期：２００９－０１—１６作者简介：覃作祥，男，１９６５年生，博士生Ｇｏｌｆ球托等．长期以来，限制块体金属玻璃实际应用的主要问题之一是其尺寸较小，尽管在过去的１０年间研发了一系列块体金属玻璃体系，但仍不能满足许多工程实际应用的要求．如何把块状金属玻璃的尺寸做得更大是人们比较关注的问题．一种方法是通过优化合金成分来制备更大尺寸的金属玻璃，上世纪９０年代以来，一些研究者开始系统研究一系列多组元合金族的玻璃形成能力（ＧＦＡ），他们采用金属Ｃｕ模浇铸方法系统评估合金熔体转变成金属玻万方数据第５期覃作祥等：Ｚｒｓ５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃的摩擦焊焊接６２１璃的临界冷却速率，获得了钯基【６１、镧基吲、镁基［引、锆基【驯、镍基【１０】等具有很强非晶形成能力的块体金属玻璃体系，能形成直径为１—３０ｍｍ的棒材．Ｐｅｋｅｒ和Ｊｏｈｎｓｏｎ［１１Ｊ则加入合金元素Ｂｅ来获得形成能力最强的金属玻璃体系，但Ｂｅ是环境不友好元素，对环境有污染；另一种方法就是通过焊接把较小尺寸的金属玻璃连接成为大尺寸的金属玻璃．目前，国内外对于金属玻璃可焊性的研究已取得了～些进展［１２－－２３】．金属玻璃焊接方法主要包括：爆炸焊接方法【１２１、脉冲放电焊接法【１引、电子束焊接法［１４－－１６］、激光焊接法【１７，１８】和摩擦焊接法［１９－－２３】．在这些焊接方法中，前４种均为熔化焊接，容易导致焊后晶化、缺陷和焊缝脆化；摩擦焊接被认为是固相焊接，由于接头处合金不熔化，焊接速度快，能获得很高的力学性能，是焊接金属玻璃较为理想的一种焊接方法．本文选择非晶形成能力强及综合性能较好的Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃进行摩擦焊焊接，探索焊接工艺，通过测定过冷液相区的金属玻璃超塑性，讨论金属玻璃固相焊接机理．１实验方法Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕｊｏ母合金锭在高真空电弧炉中熔化制备，然后在高真空熔体喷铸炉中采用Ｃｕ模铸造制备试样，试样直径为５ｎｌｎｌ，长度为６０ｒａｉｎ．摩擦焊接用ＧＢ—ＣＧ５微型惯性摩擦焊机进行焊接工艺实验．选用参数范围为：摩擦时间０．１—０．４８，摩擦压力８０—１２０ＭＰａ，转速２×１０３—６×１０３ｒ／ｍｉｎ，顶锻压力和保压时间分别为２００ＭＰａ和２Ｓ．对焊接接头的结构分析采用ＲｉａｇｋｕＤ／ｍａｘ－ｒＡ型ｘ射线仪（ＸＲＤ，Ｃｕｊｏ）与Ｑｕａｎｔａ６００型扫描电镜（ＳＥＭ）；热特性分析采用Ｐｅｒｋｉｎｇ—ＥｌｍｅｒＰＥ卜ＤＳＣ７型差示扫描量热（ＤＳＣ）仪．透射电镜样品先机械减薄到３０一４０弘ｍ，然后进行离子减薄，为了防止减薄过程中金属玻璃晶化，采用的减薄电压小于４ｋｅＶ，每减薄５ｍｉｎ，中间停歇２ｍｉｎ．透射电镜观察在ＴＥＣＮＡＩＧ２２０型透射电镜（ＴＥＭ）上进行，加速电压为２００ｋＶ．采用ＦＭ７０００型显微硬度仪对摩擦焊接头进行显微硬度测定，测试条件：载荷为５Ｎ，保荷１５Ｓ．变温拉伸实验在Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００型热／力模拟试验机上进行，应变速率为５ｘｉ０—３８－１．２实验结果及分析２．１摩擦焊焊接工艺参数的确定摩擦焊焊接工艺参数包括摩擦时间ｔｌ，摩擦压力ｐ１，转速几，顶锻压力ｐ２和保压时间ｔ２．这些参数对焊接接头的形成有着重要影响．在主轴转速ｎ＝５．０ｘ１０３ｒ／ｍｉｎ，保压时间ｔ２＝２８，摩擦压力ｐｌ－－１００ＭＰａ，顶锻压力ｐ２＝２００ＭＰａ的条件下，最佳焊接的摩擦时间￡１范围为０．１—０．４ｓ（摩擦时间过长，接头处温升过高，焊接接头强度陡然下降，不能实施焊接）．保持ｔｌ＝０．２Ｓ，ｔ２＝２Ｓ，ｐｌ＝１００ＭＰａ，ｐ２＝２００ＭＰａ，最佳主轴转速礼的范围为４．０×１０３—５．０×１０３ｒ／ｍｉｎ．由于焊机本身结构的限制，焊机在主轴转速为６×１０３ｒ／ｍｉｎ时运转不稳，导致焊接失败．同时实验观察到在转速为２×１０３ｒ／ｍｉｎ时，焊接也未能获得成功，说明：转速过低，接头处摩擦不够；温度低，接头处的金属玻璃不能产生足够的塑性，从而未能实施焊接．当ｐ１从１００ＭＰａ增大到１２０ＭＰａ，ｎ＝２．０ｘ１０３ｒ／ｍｉｎ的条件下也未能将Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉｓＣｕ３０块体金属玻璃焊接．当ｎ＝５．０ｘ１０３ｒ／ｒａｉｎ，ｔｌ：０．２８，ｔ２＝２ｓ，Ｐ２＝２００ＭＰａ时，ｐ１在８０—１２０ＭＰａ范围内都能成功焊接Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃．综上所述，摩擦焊焊接Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃的较佳工艺参数范围为：主轴转速为４．０×１０３—５．ｏ×１０３ｒ／ｒｅ＿ｉｎ，摩擦压力为８０一一１００ＭＰａ，摩擦时间为０．２—０．４Ｓ，顶锻压力和保压时间分别为２００ＭＰａ和２ｓ．表１中列出了ｔ２＝２Ｓ，ｐ２＝２００ＭＰａ条件下采用不同其它参数时，摩擦焊焊接Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０块体金属玻璃的焊接结果．表１摩擦焊焊接Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉｓＣｕ３０块体金属玻璃的焊接参数及焊接结果Ｔａｂｌｅ１ＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｉｎｇＺｒ５５・ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０ｂｕｌｋｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓ（ｔ２＝２８，ｐ２＝２００ＭＰａ）２．２摩擦焊焊接接头形貌与剖面摩擦焊焊接Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉｓＣｕｊｏ块体金属玻璃的焊接接头外观如图１ａ所示．由图观察到，在焊缝周围形成了一圈金属飞边，摩擦造成的温升使得接头处金属产生了明显的塑性，在顶锻压力耽的作用下２根待焊棒状试样相对运动，将部分金属从侧面挤出，造成飞边，飞边金属外观发黑，这是摩擦升温造成氧化的结果．选择的焊接参数分别为ｔｌ＝ｏ．２ｓ，ｎ＝５．０×１０３ｒ／ｒａｉｎ，ｐ１＝１２０ＭＰａ，ｐ２＝万方数据６２２金属学报第４５卷图１Ｚｒ５５Ａ１１０Ｎｉ５Ｃｕ３０金属玻璃摩擦焊焊接接头的形貌及剖面结构Ｆｉｇ．１ＡｐｐｅａｒａｎｃｅｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆＺｒ５ｓＡｌｌｏ－ＮｉｓＣｕ３０ｂｕｌｋｍｅｔａｌｌｉｃｇｌａｓｓ（ＢＭＧ）（ａ）ａｎｄＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ（ｂ）２００ＭＰａ，ｔ２＝２ｓ，在此条件下所得的焊接接头的剖面经磨制、抛光后在ＳＥＭ下观察，如图１ｂ所示．由剖面图可见：母材和焊缝无明显区别，接头处未出现组织不均匀、微观裂纹、微孔以及膨胀变形等缺陷．２．３摩擦焊焊接接头结构与硬度分布图２和３分别是将Ｚｒ５５Ａ１１０Ｎｉ５Ｃｕ３０金属玻璃摩擦焊焊接接头用低速锯精确切割仅得到焊缝后的ＸＲＤ谱和焊缝ＴＥＭ像．ＸＲＤ谱具有漫散的非晶峰特征；ＴＥＭ也未观察到析出相，其选区电子衍射（ＳＡＤ）为典型的“非晶衍射环”．这些结果表明，焊缝区未出现晶化，接头依然保持非晶态组织．虽然在摩擦过程中，接头处金属玻璃被加热，但这一过程时间短、速度快、热容量小，温升未达到熔点，接头处金属仍保持在固态；当焊接停止时，焊缝迅速冷却，从而避免了晶化，焊缝处金属仍保持非晶结构．图４是垂直于摩擦焊焊接界面所测得的Ｚｒ５５Ａｌｌ０一Ｎｉ５Ｃｕ３０金属玻璃母材及焊缝的显微硬度分布曲线．与原母材相比，接头处的硬度并未发生变化，依然保持硬度值在ＨＶ５８６左右．这一结果表明，在焊接过程中，金属玻璃并未发生结构变化．２．４Ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉｓＣｕ３０金属玻璃变温拉伸图５为Ｚｒｓ５Ａｌｌ０ＮｉｓＣｕ３０金属玻璃的ＤＳＣ曲线．从曲线可知，ｚｒ５５Ａ１１０ＮｉｓＣｕ３０金属玻璃的玻璃转变点％约为６９０Ｋ，晶化温度已为７７１Ｋ，过冷液相区宽度△足达８１Ｋ．以测定的疋为依据，分别选择在靠温度以下和毛圈２ｚｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０金属玻璃摩擦焊焊接接头的ＸＲＤ谱Ｆｉｇ．２ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｚｏｎｅｏｆＺｒ５５－ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０ＢＭＧ图３ＺｒｓｓＡｌｌｏＮｉｓＣｕ３０金属玻璃摩擦焊焊接接头区的ＴＥＭ像及选区电子衍射谱Ｆｉｇ．３Ｂｒｉｇｈｔ—ｆｉｅｌｄＴＥＭｉｍａｇｅａｎｄＳＡＤｐａｔｔｅｒｎ（ｉｎｓｅｒｔ）ｏｆａｆｒｉｃｔｉｏｎｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｚｏｉｌｅｏｆＺｒ５５ＡｌｌｏＮｉ５Ｃｕ３０ＢＭＧ．＾洲小毓吨—吁＿、产毗Ｄｉｓｔａｎｃｅ．１０ｓ肿图４ｚ。