7075铝合金搅拌摩擦加工的实验材料与实验方法
7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性
7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性1陈加华1，杨新岐1，吴海亮1，栾国红21天津大学材料科学与工程学院，北京 (300072)2中国搅拌摩擦焊中心北京搅拌摩擦焊技术有限公司，北京 (100024)E-mail：chenjiahua2008@!摘要：搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术在铝合金等轻型合金连接方面具有很大的优势，建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。
本文通过对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研究铝合金FSW接头的疲劳性能。
实验结果表明：后退边HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。
关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷1．引言进入21世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节约能源成为大家的共识，而构件轻量化是其中重要途径，铝合金的使用能大大减轻构件的重量。
铝合金材料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，如7xxx系列，在航空、航天、高速列车和高速舰船等工业制造领域得到越来越广泛的应用。
但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高等特点，如采用传统熔焊连接时，将很难保证接头质量[1]。
搅拌摩擦焊（Fiction Stir Welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护[2]，被誉为是继激光焊接后最为革命性的连接方法。
国内外已有大量实验证明：FSW技术能很好地连接铝合金，且接头强度比熔焊有很大提高。
但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳裂纹扩展速率的文章。
7050铝合金文档
7050铝合金是一种可热处理强化的超硬铝合金材料,熔铸方便,成形性好,具有良好的综合性能。
由于铝合金弧焊时焊缝经常会产生气孔、裂纹、咬边等缺陷,特别是对于热处理强化的超高强铝合金,其弧焊焊接性更差,极易出现热裂纹,严重阻碍了7050铝合金在工业中的应用[1]。
搅拌摩擦焊(FSW)作为一种高效、优质、环保、低成本的新型焊接方法[2]对7xxx系高强铝合金可以进行很好的焊接。
本文选取8mm的7050-T7451铝合金板进行单道对接搅拌摩擦焊实验,并对接头的组织和力学性能进行了分析。
1实验方法焊接试验用材料为8 mm厚的7075-T7451铝合金,搅拌头材料采用H13热作模具钢。
化学腐蚀液为15mlHCl+1mlHF+2.5mlHNO3+95mlH2O;在显微镜OptelicsTMS130下观察焊合区的组织特征;在CSS-44100电子万能试验机上进行拉伸试验;在HX-1000显微硬度计上进行硬度测量。
2实验结果及分析2.1焊接接头的微观组织形貌从图1所示焊接接头横断面的宏观形貌可以看出,接头明显存在四个区域,即中心的焊核区(A区)、焊缝两侧的热机影响区(B区)、热影响区(C区)2524-T3铝合金是目前综合性能较好的飞机蒙皮用铝合金,已广泛应用于B777和A380等新一代民航飞机。
进入21世纪以来，欧美航空制造业就掀起了搅拌摩擦焊飞机结构制造技术研究和应用推广热潮。
美国Lockheed Martin公司和波音公司在C-130J、C-17大型军用运输机货舱地板制造中，率先采用了挤压型材搅拌摩擦焊连接方案。
2009年7月，国内两大飞机制造厂委托我公司进行XX飞机物理样机斜台地板组件及货舱地板组件的搅拌摩擦焊生产制造。
XX飞机是目前我国航空发展史上规模最大、技术难度最高、协作面最广的一项复杂系统工程。
自2007年下半年起，北京赛福斯特技术有限公司便开始致力于该飞机机身蒙皮和地板材料的搅拌摩擦焊技术研究。
科研人员进行了系统的搅拌头设计与工艺开发，开展了多种厚度规格材料的搅拌摩擦焊工艺试验参数优化，经过刻苦攻关与不懈的努力，接连取得突破，成功地实现了1.6mm厚2024-T3、2524-T3 铝合金，3.0mm、3.5mm、4.0mm厚7050-T7451铝合金板材的高质量搅拌摩擦焊对接，接头拉伸强度达到母材强度的90%、接头疲劳性能达到与母材相当的水平。
旋转摩擦挤压7075铝合金组织及第二相形貌
旋转摩擦挤压7075铝合金组织及第二相形貌邢丽;朱杜桥;徐卫平;柯黎明【摘要】采用旋转摩擦挤压法(RFE)加工T6态7075铝合金,对挤压后的7075铝合金进行热处理,观察了7075铝合金的显微组织和第二相变化,测试了加工后材料的显微硬度.结果表明,RFE态的7075铝合金为未完全再结晶的细小等轴晶,平均晶粒尺寸约为15μm.经热处理后,铝合金中未发生再结晶的晶粒继续完成再结晶,晶粒尺寸进一步细化均匀,约为8μm.RFE加工使7075铝合金中保留的初生金属间化合物尺寸变小,原沉淀析出的第二相(MgZn2相)在RFE加工过程中大部分发生重溶,未重溶的MgZn2相发生粗化,经热处理后7075铝合金中析出的MgZn2相尺寸细小,呈弥散分布.RFE态7075铝合金显微硬度低于基材,但经T6热处理后,其硬度为177.5HV,高于基材,7075铝合金中第二相对基体的强化效果较细晶强化作用更显著.%7075-T6 Al alloy with T6 state was processed by Rotational friction extrusion (RFE), and then they were heat treated. The microstructure and second phase of 7075 Al alloy were observed, the hardness was tested. The results show that, 7075 Al alloy after RFE is composed of fine equiaxed grains while they are recrystallized uncompletely, average grain size is about 15 μm. After heat treatment, the recrystall ization behavior is finished in those unrecrystallized grains and grain becomes finer, about 8 μm. The primary intermetallic reserved in 7075 Al alloy becomes smaller after RFE. Most of aging precipitated phase (MgZn2) is re-dissolved, however, some un-dissolved precipitated phase particles become coarser. Many new second phase particles are re-precipitated in the extruded 7075 Al alloy after heat treatment, and they are distributed uniformly. The hardness ofthe as-RFE 7075 Al alloy is lower than that of the as-recieved material, but after T6 heat treatment, the hardness is 177.5HV, higher than that of the as-received material. The strengthening effect of second phase is greater than that of fine-grain in 7075 Al alloy.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2017(027)007【总页数】8页(P1361-1368)【关键词】7075铝合金;旋转摩擦挤压;热处理;显微组织;第二相【作者】邢丽;朱杜桥;徐卫平;柯黎明【作者单位】南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063;南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室,南昌330063【正文语种】中文【中图分类】TG1467075铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化铝合金，由于其密度低、强度高、热加工性能和耐腐蚀性能好等优点，使得7075铝合金在航空航天、车辆、建筑桥梁等领域应用广泛[1−3]。
7075_铝合金机加工表面阳极氧化黑线成因分析
0前言7075铝合金是一种高强度铝合金，它由Al、Cu、Mg、Zn及Cr等元素组成。
该合金加工性能良好，可以采用铣削、冲压、拉伸、锻造、焊接等加工工艺。
该合金材料被广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械等领域[1-3]。
阳极氧化是一种电化学反应，它的基本原理是金属表面的氧化过程。
在阳极氧化过程中，金属表面受到电解质的作用，氧化物在金属表面形成一层薄膜，这层薄膜可以保护金属表面不受空气中的氧化剂的侵蚀[4]。
阳极氧化技术可以有效改善金属表面的耐腐蚀性和耐磨性，以提高金属的使用寿命[5]。
然而，阳极氧化技术也存在一些缺点，如处理后的金属表面易出现粗糙、黑线、划伤、毛刺等缺陷，耐腐蚀性和耐磨性可能不够等，因此对铝合金阳极氧化性能的研究极为重要[5]。
有研究表明，6×××系和7×××系铝合金近表面存在连续、链式分布的第二相（含Fe相、含Si、Mn夹杂物颗粒），易形成耐腐蚀差异区，导致第二相周围的Al 优先溶解，在基体上出现沿第二相分布的线性凹坑，形成肉眼可见的黑线条纹缺陷[6-8]。
铝合金在后续加工中产生的划伤、油污等表面缺陷也会在阳极氧化过程中产生黑线[7]。
通过控制熔铸过程中Fe元素、硅剂添加量，加强精炼、过滤、除杂手段的控制，保障铝熔体质量和均质效果可有效减少黑线出现的概率[9-10]。
李飞庆[8]等通过增大铸锭氧化皮切削厚度，优化模具设计增加挤压过程的死区，来减少第二相偏聚和挤压过程中表面受到的擦伤，提高型材的表面质量，进而提升阳极氧化的表面光洁度。
丁小理[11]等发现阳极氧化过程中挤压型材表面的凸起毛刺脱落容易产生黑斑，而未脱落的毛刺还容易产生白线缺陷。
本文分析的零件用于飞机航空座椅，由7075铝合金挤压扁排经机加工和表面阳极氧化制成。
由于大批零件氧化表面存在黑线，无法正常装机使用，造成了非常大的经济损失。
本文通过对7075铝合金零件机加工表面氧化黑线区域和正常区域的显微组织进行对比分析，查明氧化黑线出现的原因，同时提出减轻氧化黑线问题的工艺改进方案。
7075铝合金搅拌摩擦焊模拟与实验研究
ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｉｄｅ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒꎬ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒꎬ ａｎｄ ｔｈｅ
１ ３ 材料模型
本文将工件视为不可压缩的非牛顿流体ꎬ且
流体运动状态为层流. 其黏度表达式为 [１２]
东北大学学报( 自然科学版)
３４２
１
η＝
ｌｎ
３
εα
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Ｚ( Ｔꎬ
ε)
Ａ
１
ｎ
２
Ｚ( Ｔꎬ
ε) ö÷ ｎ
＋ １ ＋ æç
Ａ
è
ø
] [
１
２
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第 ４２ 卷
２ １ 焊接温度场模拟
触的工件表面温度最高ꎬ随着与工件上表面距离
总步数为 １ ０００ 步.
变小ꎬ温度下降ꎻ而在轴肩接触范围外ꎬ厚度方向
度 ) ꎬ ８００ ｒ / ｍｉｎ － ６０ ｍｍ / ｍｉｎꎬ ６００ ｒ / ｍｉｎ －
产生塑性变形与热量的主要因素ꎬ因此与轴肩接
参数下进行模拟与实验ꎬ计算时间步长为 ０ ０４ ｓꎬ
第４２ 卷 第３ 期
２０２１ 年 ３ 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ)
Ｖｏ ｌ. ４２ꎬＮｏ. ３
Ｍａｒ. ２ ０ ２ １
ｄｏｉ: １０. １２０６８ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ３０２６. ２０２１. ０３. ００６
搅拌摩擦连接7075铝合金接头组织及力学性能分析
（a）7075 母材
（b）焊核区
图 1 拉伸试样
2 实验结果及分析
接头连接区成形表面如图 2 所示，在不同工艺 参数下，获得表面成形质量良好，无明显飞边，减薄 量较小的 FSJ 连接区。图 3(a)为 7075 母材金相组 织，因轧制工艺晶粒沿轧制方向呈扁平带状，晶粒 尺寸不均匀。T6 态 7075 铝合金在固溶时效后，铝基 体弥散分布着棒状或板片状的 Mg2Si 析出增强相。 接头焊核区金相组织如图 3(b)所示，晶粒明显细化 呈等轴晶体。主要原因是轴肩作用下，较高的热输 入使得搅拌区晶粒动态再结晶，同时搅拌头前进速 度较高降低了焊核区材料打碎循环重组周期，使得 晶粒细化较为显著。热机影响过渡区如图 3(c)所 示，由图 3(c)中标示的焊核边缘区 W、热影响区 H 和 热机影响区 T 组成，图 3(c)中标示 1 区域和标示 2 区 域 为 热 机 影 响 区 ，两 区 域 晶 粒 发 生 明 显 的 拉 长 变
头拉伸失效机理，优化工艺参数获得力学性能优良 的接头。
1实验
1.1 试样制备
板材选用 100×100×10mm 的热轧制 7075-T6 铝 合金板材，连接面进行砂纸打磨去除氧化层，并用 丙酮和酒精清洗，封存备用。采用北京赛福斯特技 术有限公司研发的 FSW-LM-A10 型搅拌摩擦连接 设备，搅拌针轴肩直径为 24mm，下压量为 0.1mm，主 轴倾角为 0.5°，具体工艺参数见表 1。
借助线切割以接头焊核区为中心，制备 30×10× 10mm 金相试样，先用 320#-1400#砂纸依次打磨，再 用 W0.05 抛光液和抛光膏抛光，然后用超声波酒精 清洗吹干，在未腐蚀前先通过 SEM 能谱点面扫描方 式检测组织成分，再用 Keller 试剂晶界侵蚀，腐蚀时 间约 25s，在 MDS400 光学显微镜下观察接头各区域 晶粒特征。 1.3 拉伸实验
搅拌摩擦焊接质量控制
搅拌摩擦焊焊接质量控制摘要：搅拌摩擦焊接技术是针对焊接性差的铝、镁合金而开发出的一种新型固相连接技术，由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术。
可以有效地避免氧化和蒸发,焊后冷却过程中不出现热裂纹，焊缝区晶粒得到细化，优化了接头各项性能，同时焊接过程不需要填充金属，不产生火花、飞溅、烟雾、弧光等，是一种高效、优质、简单、无污染的焊接工艺。
介绍了搅拌摩擦焊接的原理、焊接工艺特点、搅拌摩擦焊的最新发展情况及其应用。
利用搅拌摩擦焊焊接方法对7075铝合金进行焊接实验，在焊接参数为：转速—-800r/min、焊接速度75mm/min的情况下得到了良好的组织结构，显微硬度的实验表明焊后其维氏硬度值的分布趋势沿焊缝中心基本对称。
关键词：搅拌摩擦焊接；7075铝合金；焊接参数；焊接质量控制Research on friction stir weldingA bstract：Friction stir welding (FSW）is a new solid welding technique for aluminum and magnesium alloys invented and patented by The Welding Institute, UK in 1991，which can avoid the problems existing in the other welding methods。
It is an efficient, energy saving, simple and environmental—friendly technique，which can efficiently avoid oxidation and evaporation without heat flaw in the cooling process after welding。
FSW can get optimized various performance of joint without any sparkle, plash，smog or arc. No filling metal is needed in the welding process. This paper simply introduce the principles，the process, emphasize introduces recent development an application of the friction stir welding. Using friction stir welding method of 7075 aluminum alloy welding experiment, the welding parameters for welding speed: speed -—800r/min, 75mm/min cases got good organization structure, microhardness tests indicate that after welding the Vivtorinox hardness distribution trend along the seam center symmetry。
熔铸-原位合成TiC7075复合材料的摩擦磨损性能
2.2 材料在干摩擦条件下的摩擦磨损性能
2.2.1 颗粒含量对TiC/7075复合材料摩擦磨损性能的影响 图3为7075铝合金及不同颗粒含量的TiC/7075复合材料在恒定的载荷(20N)、摩擦时间 (10min)及滑动速度(0.3m/s)下的磨痕形貌图。从图中可以看出，与基体合金相比，TiC/7075 复合材料具有较小的磨痕宽度，且磨痕宽度随着TiC含量的增加而减小。不同颗粒含量的样 品在相同条件下的磨痕宽度以及利用公式（1）计算出的磨损体积等数据见表2所示。
摘 要：本文采用熔铸-原位合成法制备了 3-8%TiC/7075 复合材料（质量百分数，下同）， 并对其摩擦磨损性能进行了研究。结果表明，TiC 颗粒的形成具有细化晶粒的作用，对基体 的硬度和耐磨性有很大的改善作用。 随着 TiC 颗粒含量的增加， 复合材料的体积磨损率减少 （耐磨性提高）。在低载荷下（10N），熔铸-原位合成 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性优于 7075 铝合金。然而，在高载荷下（40N），8%TiC/7075 复合材料的耐磨性却低于 7075 铝合 金， 表明附加载荷对颗粒增强金属基复合材料的耐磨性有很大的影响。 研究表明， 固定载荷， 增 加 滑动 速度 ， 7075 铝 合 金 和 8%TiC/7075 复 合 材料 的耐 磨 性均 呈下 降 的趋 势， 但 8%TiC/7075 复合材料的耐磨性下降幅度低于 7075 铝合金。 关键词： 关键词：原位合成，TiC/7075 复合材料，硬度，摩擦磨损 中图分类号： 中图分类号：TG302.3
(a)
(b)
(c)
(d)
图 1 7075 铝合金和不同颗粒含量 TiC/7075 复合材料的 SEM 形貌
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（a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075 Fig.1 SEM images of 7075 alloy and TiC/7075 composites with different TiC contents （a）7075（b）3%TiC/7075（c）5%TiC/7075（d）8%TiC/7075