西南交大《Nature》子刊：大幅提升高强铝合金的焊接强韧性！

高强度铝合金结构强韧性差一直是困扰航空航天、高速列车等重大装备的世纪难题。自从焊接技术发明以来，铝合金熔焊结构频繁发生疲劳破坏，根源在于损伤演化机理不明。在一次高倍显微观察中，研究人员偶然发现在激光焊接7075铝合金熔合线处存在着一个宽度仅为数十微米的贯穿板厚的细小等轴晶区（Fine eQuiaxed Zone，FQZ），这种极易被忽视的细晶带在铝合金和钢结构中普遍存在，例如载运装备用2000系、5000系、6000系、7000系和8000系铝合金及能源用钢S960、G115和Cr92等，焊接热源覆盖激光、电子束、等离子束和电弧，广泛用于航空航天、能源动力、高速列车、海洋船舶等。研究显示，细晶带是接头硬度和强度最低的区域，在结构受载时，裂纹优先萌生于细晶带，造成破坏源于热影响区（HAZ）的假象。为此，亟待探明熔焊接头细晶带的软化及失效机理，为建造高损伤容限的轻量化铝合金结构提供科学支撑。

深入研究发现，细晶带内部的细小等轴非枝晶是以母材中高温稳定相经异质形核而成，适宜的温度梯度和熔池扰动共同决定了细晶带形成于HAZ区域。调节工艺参数能够改变细晶带的宽度，但无法完全消除细晶带。基于高分辨X射线原位多尺度关联成像技术，发现影响7050铝合金接头性能劣化的本质因素，探明了细晶带软化及沿晶失效机制，进而提出了一种全新的“激光扰动+磁场脉冲”联合制造策略，通过调控细晶带的区间分布，大幅提升了激光熔焊接头的强韧性，高于搅拌摩擦焊。相关成果以题为“Inhibiting weld cracking in high-strength aluminium alloys”发表在Nature Communications上，第一作者为西南交大牵引动力国家重点实验室胡雅楠博士（现为力学与航空航天学院讲师），通讯作者为吴圣川研究员（康国政团队，共同作者）、上海交大沈朝副教授（曾小勤团队，共同作者）及曼彻斯特大学Philip J.Withers两院院士，完成单位还包括西南交大（虞雨框硕士生，张旭教授）、中科院金属所（郭翼研究员）、英国曼彻斯特大学（钟向莉高工）、牛津大学（Alexander M.Korsunsky教授，Sergio Lozano-Perez教授）、中科院上海光源（付亚楠研究员，肖体乔研究员）、中国航空制造技术研究院（车志刚研究员）和北京高能所北京光源（袁清习研究员）。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33188-x

作者综合利用多种先进表征方法，获取接头各区的微结构特征。根据第二相强化、细晶强化、位错强化和固溶强化的关系模型，定量计算了析出相、晶粒尺寸、位错密度和固溶原子对力学性能的贡献。实验结果表明，细晶带晶内析出相数量减少致强度降低的幅度更大，是导致该区域力学性能劣化的重要原因之一；而析出相数量减少是由强化元素Zn、Mg和Cu严重的晶界偏析以及急速的冷却凝固使得剩余溶质原子来不及重新沉淀析出所致。

图1 细晶带微结构特征的多尺度定量表征及力学性能

进一步地，开展了多维多尺度关联成像表征，包括同步辐射原位X射线成像和高分辨纳米成像及透射电镜等。发现在单调拉伸加载下，熔焊接头优先在细晶带损伤形核与发生裂纹萌生。损伤形核模式包括三叉晶界形核以及晶间相与界面脱粘形核。其中，晶间相的空间形貌具有各向异性，倾向于沿着焊缝厚度方向填充在晶粒之间，这种分布特征有利于促进微孔洞的形核与扩展。另外，几乎所有形核的微孔洞均与晶间相有关。通过衍射图谱和成分标定发现，孔洞形核与大角度晶界上分布的AlCuMg硬脆相密切相关。

图2 细晶带内部损伤演化行为的多维多尺度高分辨关联成像表征

研究人员受到力学三明治结构的启发，提出焊缝有规律弯曲分布的成形思想，同时引入脉冲电磁场消除接头中微裂纹和气孔，来探索接头拉伸强度与抗疲劳性能大幅提升的可能。研究表明，传统接头熔合线附近的细晶带呈现连续且线性走向特征，而经过“激光扰动+磁场脉冲”成形后，细晶带在焊缝熔合线处将呈现出“S”形、断续分布特征，且部分细晶带由熔合线转移至焊缝中心，从而使得细小等轴非枝晶与粗大等轴枝晶实现了交替分布。一方面，“激光扰动+磁场脉冲”联合制造策略有助于改善合金元素分布，减弱强化元素晶界偏析程度，与传统焊接工艺相比，晶粒内部强化相数量增加，进而提升了接头的硬度和强度，使其达到了固相焊接水平。另一方面，“S”走向、断续分布的细晶带显著增加了裂纹扩展阻力，从而大幅提升了接头的“韧性”。此处所述的“韧性”主要指固体力学的损伤容限能力，而非简单地材料学中的断裂韧性。

图3 传统的激光复合焊接与提出的“激光扰动+磁场脉冲”制造策略对航空用7050接头微观组织、力学性能及抗疲劳开裂性能的影响

总之，作者阐明了高强度铝合金熔焊接头细晶带是导致强度大幅降低的微观机制，进而提出了一种“激光扰动+磁场脉冲”联合成形策略，精细调控细晶带的微结构特征及分布规律，以显著提升接头的强度和韧性。联合制造方法条件下7000系铝合金接头强度约为母材90%以上，略高于搅拌摩擦焊接头强度；同时疲劳裂纹扩展门槛值得到了显著提高，裂纹扩展速率表现出有规律的停滞-下降走势，表明接头的抗疲劳开裂性能也得到了提升。论文问题源自作者2011年国家自然科学基金青年项目《激光-电弧复合焊热循环致高强铝合金接头软化的机理研究》（51005068），历经10余年探索终获突破。研究成果不仅为高强铝合金激光及复合热源焊接破解了强韧性差的技术瓶颈，同时有助于重大装备长寿命高可靠轻量化设计及服役，具有重要的工程指导意义。

近年来，吴圣川研究员在康国政教授带领下，以牵引动力国家重点实验室为依托，致力于载运工具先进结构的服役性能表征及评价，先后承担973计划、国家自科基金（青基、面上、联合、重点、重大）、军委科技委JCJQ重点项目、省部国际合作项目及中车企业等多个项目。在重要学术期刊Nature Commun、Acta Mater、Int J Fatigue、Eng Fract Mech等发表论文160余篇，总引用达3000余次，6篇入选ESI高被引论文，授权专利15件，曾获得中国质量技术一等奖、四川省科技进步奖和学术技术带头人等奖励。