镁合金半固态铸造：砂型铸造镁稀土合金TIG修复焊接头组织与力学性能研究

镁合金半固态铸造：砂型铸造镁稀土合金TIG修复焊接头组织与力学性能研究图4 不同累积轧制压下量和轧制80%-峰值时效合金的室温拉伸应力-应变曲线如图4所示，随着焊接电流的增加，补焊接头的抗拉强度先从178 MPa（150 A）增加到最大值195 MPa（170 A），此时接头效率达87.8%，随后下降到149 MPa（210A），屈服强度也呈现出同样的变化趋势。有趣的是，焊接电流为170 A 时制备的补焊接头的延伸率为5.1%，达到砂铸母材的124.4%。然而，当焊接电流增加到210 A时，补焊接头的延伸率急剧下降到1.4%。图5展示了补焊接头的断裂失效位置以及断口形貌。当焊接电流为170A和190A时，由于热影响区中存在粗大的晶粒和连续的共晶组织，接头均在热影响区处失效。当焊接电流过低或过高时，由于熔合区内聚集颗粒或气孔的存在，接头在熔合区处失效。断口形貌分析表明，当失效位置处于熔合区内时，断裂机制主要呈现出以韧窝和撕裂棱为主的准解理断裂特征，而当失效位置

Mg-Y-RE-Zr系列合金密度低，比强度、比刚度高，抗蠕变能力强，可在250 ℃的环境下长期稳定服役，在航空航天领域展现出广阔的应用前景。航空航天大型复杂镁稀土合金部件通常采用砂型铸造工艺成型，由于镁稀土合金化学活性强、砂型冷却速度缓慢等因素，大型复杂镁稀土合金砂型铸件中易形成氧化夹杂、夹砂、缩松等铸造缺陷，造成铸件报废。钨极氩弧（TIG）焊可操作性强、设备简单，是工程实践中实现弧面及复杂内腔快速修复的重要方法之一。然而，砂型铸造镁稀土合金中存在大量低熔点的连续共晶组织，其极易在高热输入的TIG焊过程中发生粗化，导致接头热影响区软化。当前，高稀土含量的镁稀土合金熔焊的相关研究极少，焊接工艺对接头显微组织分布的影响还不明晰，补焊接头的力学性能及其断裂失效行为还有待深入研究。因此，研究砂型铸造镁稀土合金TIG补焊接头的显微组织分布和力学性能的演变规律，对推广镁稀土合金大型复杂构件在航空航天等关键领域的应用具有重要的科学和工程价值。

近期，上海交通大学吴国华教授团队在丁文江院士领导下，采用TIG焊工艺对砂型铸造Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金进行了修复焊接，系统研究了焊接热输入对合金补焊接头组织演变和力学性能的影响规律。研究表明，通过优化后的焊接工艺参数能够实现砂铸镁稀土合金的无缺陷修复，补焊接头系数最高可达87.8%。随着焊接电流的提高，熔池中颗粒Zr会部分转变成为溶质Zr，熔合区晶粒细化效果被提高，但过高的焊接热输入会降低熔池冷却速度而导致晶粒粗化。当焊接电流为170 A时，熔合区晶粒尺寸细化至13 μm，仅为母材的1/4。但接头的热影响区会随焊接热输入提高而逐渐宽化，热影响区中连续粗大的共晶组织是拉伸失效过程中微裂纹萌生和扩展的主要区域。当焊接热输入为170 A时，接头抗拉强度和延伸率分别为195 MPa和5.1%，分别达到母材的87.7%和124.4%。

该文系统研究了不同焊接电流对Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金补焊接头内部质量和显微组织的影响，结果如图1和图2所示。当焊接电流较低时，熔合区边缘易产生未熔合缺陷，而较高的焊接电流会导致焊缝中形成聚集型气孔，当焊接电流为170 A和190 A 时，接头中未发现明显的焊接缺陷。图2为不同焊接电流制备的补焊接头热影响区和熔合区的金相显微组织。相比较于母材，熔合区晶粒均得到了显著细化，且随着焊接电流的提高呈现出先降低后提高的趋势，在170 A时达到最小值13 μm，仅为母材的27%。但是热影响区的晶粒和共晶组织尺寸均随着焊接热输入的提高而逐渐增大。当焊接电流达到190 A和210 A时，热影响区中的部分共晶组织已经形成了连续的网状结构。值得关注的是，当焊接电流较小时，在熔合区的晶界处还可以观察到一些团聚的颗粒物，并随着焊接电流的提高，团聚数量逐渐减少。

图 1 不同焊接电流制备的补焊接头X 射线探伤：(a) 150 A (b) 170 A (c) 190 A (d) 210 A

图2 不同焊接电流制备的补焊接头的热影响区和熔合区的光学显微组织：(a b) 150 A (c d) 170 A (e f ) 190 A (g h) 210 A

图3展示了补焊接头熔合区的SEM微观组织和EDS分析结果。随着焊接电流的增加，在熔合区的晶界处中出现了越来越连续的腐蚀坑，这些不规则的腐蚀坑是因共晶组织在侵蚀过程中被剥落所致，这表明提高焊接电流也将导致熔合区共晶组织粗化。当焊接电流为150 A时，在补焊接头的熔合区中发现了大量亮白色的颗粒团聚，这与金相显微组织观察结果一致，EDS分析表明这些团聚颗粒应该是Zr-Y化合物。提高焊接电流能够使熔池的温度升高，并使熔池维持液相的时间延长，还能增强熔池内部对流，这些因素均能提高Zr-Y化合物在熔池中的扩散和溶解。因此，当焊接电流为210 A时，熔合区中团聚颗粒的数量明显降低。这说明适当增大焊接热输入能够提高熔池中溶质Zr的含量，由此形成的强烈的成分过冷反而使焊缝晶粒得到细化。

图3 不同焊接电流制备的补焊接头的熔合区的SEM显微组织及其EDS分析：(a) 150 A (b) 170 A (c) 190 A (d) 210 A (e) 和(f)团聚颗粒的 SEM 图像和 EDS分析

如图4所示，随着焊接电流的增加，补焊接头的抗拉强度先从178 MPa（150 A）增加到最大值195 MPa（170 A），此时接头效率达87.8%，随后下降到149 MPa（210A），屈服强度也呈现出同样的变化趋势。有趣的是，焊接电流为170 A 时制备的补焊接头的延伸率为5.1%，达到砂铸母材的124.4%。然而，当焊接电流增加到210 A时，补焊接头的延伸率急剧下降到1.4%。图5展示了补焊接头的断裂失效位置以及断口形貌。当焊接电流为170A和190A时，由于热影响区中存在粗大的晶粒和连续的共晶组织，接头均在热影响区处失效。当焊接电流过低或过高时，由于熔合区内聚集颗粒或气孔的存在，接头在熔合区处失效。断口形貌分析表明，当失效位置处于熔合区内时，断裂机制主要呈现出以韧窝和撕裂棱为主的准解理断裂特征，而当失效位置处于热影响区内时，断裂机制主要呈现出解理断裂特征。

图4 不同累积轧制压下量和轧制80%-峰值时效合金的室温拉伸应力-应变曲线

图5 补焊接头的拉伸断口分析：(a) 接头断裂失效位置 (b-h) 不同焊接电流制备的补焊接头的断口SEM形貌：(b) 砂铸母材 (d) 150 A (e) 170 A (f) 190 A (g h) 210 A。(c) 是 (b)的放大图，(i) 是 (d) 中聚集颗粒的 EDS 点分析

综上所述，该研究验证了采用TIG焊对Mg-4Y-2Nd-1Gd-0.5Zr合金进行修复焊接的可行性，并系统研究了不同焊接电流对合金补焊接头显微组织和力学性能的影响。研究发现热输入对熔池冷却速度和Zr的存在形式有显著影响，其综合作用导致熔合区晶粒尺寸随焊接电流的提高而先减小后增大。当焊接电流为170 A时，补焊接头的综合力学性能最高，接头系数达到87%，此时接头主要失效位置处于热影响内。该研究结果对推动镁稀土合金在航空航天领域大型复杂构件上的应用具有一定的科学和工程价值。