学术研究报告：AE44镁合金与DP340钢异种搅拌摩擦搭接焊的微观结构与力学性能研究

作者及发表信息

学术研究报告：AE44镁合金与DP340钢异种搅拌摩擦搭接焊的微观结构与力学性能研究

研究团队与发表信息

本研究的通信作者为上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的陈娟（Juan Chen），共同作者包括李自衍（Ziyan Li）、闫曦（Xi Yan）、金启皓（Qihao Jin）、彭立明（Liming Peng）等。研究成果发表于期刊《Materials Characterization》2024年第217卷，文章编号114322。

学术背景

研究领域与科学问题

该研究属于轻量化材料连接技术领域，聚焦镁合金-钢异种材料焊接这一工程难题。镁合金（如AE44）作为最轻的金属结构材料，与高强度低成本的DP340钢连接可大幅降低车辆重量，但两者存在以下关键挑战：
1. 冶金不相容性：镁（Mg）与铁（Fe）的熔点差异大（Mg: 650°C vs Fe: 1538°C），且缺乏共晶反应或固溶度；
2. 界面氧化阻碍：镁表面氧化膜（MgO）会抑制界面反应，导致传统熔焊难以实现冶金结合；
3. 热输入矛盾：高热量输入可能导致镁合金晶粒粗化或钢基体软化。

研究目标

提出通过大插入深度搅拌摩擦搭接焊（Friction Stir Lap Welding, FSLW）实现以下突破：
- 多尺度强化机制：结合宏观机械互锁与微观冶金结合；
- 无中间层焊接：避免涂层或中间层引入的氧化风险；
- 高强度接头：剪切强度目标超越现有文献报道水平（>396 N/mm）。

研究流程与实验方法

1. 材料制备与焊接工艺

• 基材：AE44镁合金（Mg-3.66Al-2.29Ce-1.32La, wt%）与DP340钢板分别切割为140×60×2.5 mm和140×60×2 mm尺寸。
  
• 搅拌工具：采用钨铼（W-Re）合金螺纹搅拌针，直径5 mm、长度3.0 mm，肩部直径15 mm，倾斜角2.5°。
  
• 焊接参数：通过正交实验设计，旋转速度（1000–1600 rpm）、焊接速度（50–120 mm/min）、插入深度（0.5–1.2 mm）组合优化。
  
• 核心创新：搅拌针完全穿透镁板（2.5 mm）并深入钢板（0.5 mm以上），形成显著塑性变形区。
  

2. 微观结构表征技术

• 宏观形貌：光学显微镜（OM）观察接头横截面钩状结构（Mg/Steel Hooks）；
  
• 晶粒分析：电子背散射衍射（EBSD）检测低角度晶界（LAGBs）与动态再结晶行为；
  
• 纳米尺度界面：透射电镜（TEM）结合聚焦离子束（FIB）制样，分析扩散层与金属间化合物（Fe₂Al₅相）；
  
• 元素分布：扫描电镜能谱（SEM-EDS）与透射电镜能谱（STEM-EDS）绘制Fe、Mg、Al等元素扩散轮廓。
  

3. 力学性能测试

• 剪切强度测试：采用Zwick/Roell Z100材料试验机（十字头速度0.5 mm/min），通过垫片确保载荷作用于界面；
  
• 温度监测：40个热电偶点阵测量焊接峰值温度分布（最高660°C）。
  

4. 数据分析方法

• 钩状结构几何参数回归：量化镁钩（Mg Hook）与钢钩（Steel Hook）的深度、宽度、面积等8项参数，建立多元线性回归模型；
  
• 取向关系计算：通过选区电子衍射（SAED）标定Fe₂Al₅/Fe界面的晶格错配度（7.23%）。
  

主要研究结果

1. 宏观机械互锁机制

• 钩状结构形成：镁钩主要出现在前进侧（AS），钢钩分布于远离搅拌区（SZ）的两侧（图3a）。大插入深度导致钢钩宽度缩小（最优值0.45 mm）而镁钩宽度增大（最优值3.73 mm）。
  
• 几何参数影响：回归方程显示，减小镁/钢钩深度、降低镁钩长宽比可显著提高强度（R²=0.89）。例如，最优参数下接头剪切强度达396.8 N/mm，较传统FSLW提升35%（图2）。
  

2. 微观组织演化

• 晶粒尺寸梯度：镁钩尖端因钢包裹导热差，晶粒粗化至200 μm；而钢钩周围因挤压作用，动态再结晶晶粒细化至13.1 μm（图5c1）。
  
• 第二相分布：镁合金中Al-Ce-La第二相在钢钩根部区域呈现短棒状流线分布（图5c6），而在搅拌区均匀细化。
  

3. 界面冶金反应

• 纳米扩散层：TEM发现100–200 nm厚的连续Fe₂Al₅(Mn,RE)相层（成分：Al₅₃.₆₄Fe₂₀.₂₁Mn₁₁.₄₃Ce₆.₂₉La₀.₉₂），其与α-Fe呈现半共格关系：[111]Fe//[100]Fe₂Al₅，(002)Fe₂Al₅//(101)Fe（图8）。
  
• 元素扩散：Mg向钢侧扩散深度40 nm，Fe向镁侧扩散超200 nm；Al从镁侧经中间层向钢侧扩散，界面无MgO（图7j-k）。
  

结论与价值

科学意义

1. 多尺度强化理论：首次阐明大插入深度FSLW中宏观钩状互锁（贡献强度60%以上）与纳米级Fe₂Al₅层（贡献20–30%）的协同机制；
   
2. 冶金扩散新发现：突破传统认知，证明无涂层条件下仍可通过塑性变形驱动Mg-Fe-Al原子互扩散。
   

工程应用价值

• 轻量化车辆制造：直接焊接镁合金与钢板可省去中间层镀覆工艺，降低生产成本；
  
• 工艺窗口指导：提出插入深度1.0 mm、转速1000 rpm、焊速100 mm/min为最优参数。
  

研究亮点

1. 创新工艺：全球首次报道完全穿透镁板并深入钢板的FSLW工艺，突破传统“浅插入”限制；
   
2. 表征技术：结合EBSD与FIB-TEM实现从毫米到纳米尺度的全界面解析；
   
3. 高强度记录：396.8 N/mm的剪切强度为目前镁/钢搭接焊文献最高值。
   

其他发现

• 温度场调控：前进侧峰值温度比后退侧高40°C，与镁钩形成位置吻合（图3b）；
  
• 失效机制：裂纹始于钢钩根部（应力集中区），而非传统界面剥离（图1s）。