搅拌摩擦加工超细晶镁合金组织与性能研究

水下搅拌摩擦加工制备大尺度超细化镁合金的可行性研究一、内容提要•立项背景•搅拌摩擦加工的原理及特点•研究内容及方案•拟解决的关键技术问题•研究目标及意义•特色与创新之处•项目进度安排•项目可行性分析二、立项背景•镁合金作为轻质高强材料在航空航天、交通运输等领域具有巨大的应用潜势。

但相对于高技术工业产品的发展速度，合金强度仍需要进一步提高，才能满足承载结构应用需求。

发展高强轻合金因而成为材料行业的重要研究方向。

除了添加不同合金元素发展新型的高强合金牌号，制备超细晶（<1 m）合金也是一个重要的发展方向。

•现有制备超细晶的方法：低温球磨、等通道转角挤压（ECAP）、高压扭转（HPT）、多向度锻造（MDF）等。

•然而上述方法的共同缺点是制备的样品尺寸都受模具或设备加工能力的限制，制备大尺度超细化材料尚有一定的困难。

三、搅拌摩擦加工原理•搅拌摩擦加工的原理：搅拌摩擦加工技术（Friction Stir Processing，FSP）是在搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）的基础上发展而来的。

FSP原理与FSW相同，是一种固态加工技术。

通过高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的温升使工件软化，并带动工件材料产生高应变速率的塑性流动，使得搅拌区的组织发生动态连续和不连续再结晶过程，导致组织细化。

•搅拌摩擦焊视频演示四、搅拌摩擦加工的特点•可同时实现组织细化、均匀化和致密化，可用铸态、锻态甚至冷压实的粉末锭坯进行加工；•高效、短流程，一道次加工即可获得所需的微观组织；•不改变工件的外形尺寸，因而可以得到超细结构的厚截面零件；•通过调整工具形状尺寸和工艺参数以及外部冷却条件可以精确控制微观组织；•可局部加工，实现局部微观结构改性和性能控制；•节能无污染。

加工过程与铣削类似，不需对工件加热；•可通过多道次搭接加工实现大尺寸工件的加工。

五、研究的内容及方案（1）水下搅拌摩擦加工系统的设计及制作：设计制作水下搅拌摩擦焊接系统，初步确定试验参数范围。

西安理工大学博士学位论文３ＣＴ－Ｍｇ．Ｚｎ．Ｙ的组织与性能本章研究普通凝固条件下，Ｍｇ－Ｚｎ．Ｙ镁合金的组织和力学性能。

３．１ＣＴ－Ｍｇ．Ｚｎ．Ｙ合金的组织３．１．１合金的组织ＣＴｏＭｇ－Ｚｎ．Ｙ合金的金相组织如图３－１。

组织由白色枝晶ａ－Ｍｇ和枝晶间层片共晶或灰白色的枝晶问化合物组成。

实验成分条件下，ｚＩｌ、Ｙ含量增加，枝晶略细化，如图３．１（ａ）、（ｃ）、（ｃ）所示。

其中，枝晶问组织形貌如图３－２所示。

翻３－１不同成分ＣＴ－Ｍｇ－Ｚｎ．Ｙ合金的组织Ｆｉｇ．３－１ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＣＴ－Ｍｇ－Ｚｎ—Ｙａｌｌｏｙｓ（ａ），（ｂ）ＣＴ－Ａ１ａｌｌｏｙ；（ｃ），（ｄ）ＣＴ－Ｂ１ａｌｌｏｙ；（ｅ），（０ＣＴ－Ｂ２ａｌｌｏｙ｜芏｜３－２ＣＴ－Ｍｇ·Ｚｎ·Ｙ台金技品川组织Ｆｉｇ．３－２ＴｈｅｍｉｃｍｓｔｒｕｃｔｕｒｃｓｂｅｔｗｅｅｎｄｅｎｄｒｉｔｅａＴｌｎｓｏｆｔｈｅＣＴ－Ｍｇ－Ｚｎ—Ｙａｌｌｏｙｓ（ａ）ＣＴ－Ａ１ａｌｌｏｙ；（ｂ）ＣＴ－Ｂ１ａｌｌｏｙＸＲＤ衍射分析结果表明，ＣＴ－Ａ１合金组织ａ－Ｍｇ和Ｚ（Ｍ９３ＹＺｎ６）相组成。

ＣＴ－Ｂ１合金组织由ｍＭｇ、Ｗ（Ｍ９３Ｙ２７－－，ｎ３）、ｚ和ＭｇＺｎ相组成。

ＣＴ－Ｂ２㈣ａ－Ｍｇ、ｚ和ＭｇＺｎ相组成，如图３－３所示。

其中，Ｗ相为立方结构１２６，１５８１，ｚ相为二十面体准晶结构［１５９１。

㈣’（ｔｏｌｄｏ口．Ｍｇ△Ｚ－ｐｈａｓｅ蔓覆ｎｄＬＬ缺拿盖一２０３０４０５０６０７０８０２０／ｏ（ｂ）１００ｈ）口ａ－Ｍｇ△Ｚ－ｐｈａｓｅＯＷ－ｐｈａｓｅ６Ｍｇｚｎ，、是。

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：烛？土ｌ２０３０４０５０６０７０８０２０／ｏ咖踟鲫伽姗懈咖鲫伽枷３ＣＴ－Ｍｇ—Ｚｎ—Ｙ的组织与性能包括ｚ相。

当ｚｎ与Ｙ原子比为２：１时，完全析出ｗ相，当Ｚｎ与Ｙ原子比为１：２时，则形成了Ｘ（Ｍ９１２ｙｚｎ）相‘４２，蜘。

凝固过程中，是否形成金属问化合物是Ｗ相或ｚ相主要取决于合金凝固过程中结晶前沿ｚＩＩ与Ｙ的原子比。

资料综述——镁合金搅拌摩擦焊研究现状学院: 航空制造工程学院专业: 焊接技术与工程班级: 090301 姓名: 钟毅2012年5月1日镁合金搅拌摩擦焊研究现状南昌航空大学航空制造工程学院090301班钟毅摘要：由于镁合金比强度高，在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是由英国焊接研究所开发的一种新型固相连接技术，可以使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料可以通过FSW实现焊接，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”，并得到广泛的应用。

分析了镁合金焊接的主要问题，综述了镁合金搅拌摩擦焊，并对其研究及应用进行了展望。

关键字：搅拌摩擦焊焊头铝合金微观组织0前言镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。

镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。

另外镁合金用于汽车制造，可以大幅减轻汽车重量，提高燃油效率。

由于镁合金的焊接性能不好，很难实现可靠连接，镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。

搅拌摩擦焊是一种新型的塑化连接工艺，它利用特殊形状的搅拌头，将其插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在摩擦热的作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接。

近年来，国外对此工艺极为重视，许多研究者对多种系列铝合金用搅拌摩擦焊进行塑化连接时焊缝的显微组织、力学性能进行了研究，并已将其应用于部分航空航天结构件。

本文分析了镁合金焊接的主要问题，综述了镁合金的搅拌摩擦焊工艺，对塑化连接焊缝的成型特点、接头组织特征及力学性能进行了分析，并对研究及应用进行了展望，以推动镁合金在工程领域的进一步应用。

1 镁合金焊接性分析由于镁合金热膨胀系数大，化学活泼性很强，易氧化，密度低，熔点低，热导率和电导率大，且氧化物的熔点很高，使镁合金在传统融化焊接过程中会产生一系列的困难。

搅拌摩擦加工调控Mg-5Zn-0.6Zr合金耐蚀性的研究龙飞;刘瞿;朱艺星;周梦然;陈高强;史清宇【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2024(38)10【摘要】作为一种储量足、比强度和比模量高的轻质结构材料和功能材料,镁的应用前景十分广阔,然而镁的耐蚀性不佳严重限制了其应用范围,较大尺寸的沉淀相导致的电偶腐蚀是镁合金耐蚀性不佳的重要原因。

本工作选取铸态Mg-5Zn-0.6Zr 合金作为研究对象,对该合金进行了搅拌摩擦加工处理,并对搅拌摩擦加工前后合金的组织结构和电化学性能进行了检测分析。

结果表明,搅拌摩擦加工处理后的Mg-5Zn-0.6Zr合金形成了较强的(0001)基面织构,且大部分区域位错密度较低,晶粒尺寸从66.4μm细化到1.6μm,沉淀相发生了一定程度的破碎和弥散分布,在3.5%(下文如无特别说明,均指质量分数)NaCl水溶液中开路电位下的腐蚀电流密度由38.3μA/cm^(2)降至17.0μA/cm^(2),极化电阻由48.98Ω·cm^(2)提升至197.02Ω·cm^(2)。

研究表明,搅拌摩擦加工可以有效提高镁合金的耐蚀性。

【总页数】6页(P151-156)【作者】龙飞;刘瞿;朱艺星;周梦然;陈高强;史清宇【作者单位】清华大学机械工程系;先进成形制造教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TB304【相关文献】1.钛合金搅拌摩擦焊与搅拌摩擦加工研究进展2.搅拌摩擦加工的6A01铝合金表面水热合成MFI沸石涂层的微观结构及耐蚀性3.2524同质铝合金回填式搅拌摩擦点焊耐蚀性研究4.铝合金搅拌摩擦焊表面冷喷涂层的结构与耐蚀性5.搅拌摩擦加工制备Al6061/SiC复合材料的耐蚀性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

AZ31B镁合金搅拌摩擦焊组织性能研究及工艺优化搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一种无焊条，无熔化和减少热输入的固态焊接方法，被广泛应用于镁合金的焊接领域。

AZ31B镁合金是一种常用的镁合金材料，具有良好的强度和塑性，但由于其高反应性，使得传统的焊接方法难以实现。

搅拌摩擦焊作为一种新兴的焊接技术，为AZ31B镁合金的焊接提供了一种有效的解决方案。

本文旨在研究AZ31B镁合金搅拌摩擦焊的组织性能，并通过工艺优化提高焊接接头的性能。

首先，通过对AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接头的显微组织观察发现，焊缝区域呈现出均匀细小的晶粒结构，晶粒尺寸比母材小。

这种组织结构的形成是由于搅拌摩擦焊的工艺特点，焊接过程中通过搅拌针的作用使得晶粒结构发生再结晶，从而提高了焊接接头的强度和塑性。

其次，通过拉伸试验和硬度测试对焊接接头的力学性能进行了评价。

结果表明，搅拌摩擦焊接头的拉伸强度和硬度均高于母材，接近母材强度的70%~90%。

这表明搅拌摩擦焊接头对AZ31B镁合金材料具有优良的焊接性能。

最后，通过对焊接参数的优化实验，发现搅拌摩擦焊转速和进给速度对焊接接头性能的影响较大。

较高的焊接转速和较低的进给速度有利于提高焊接接头的强度和硬度。

因此，在实际焊接过程中，应根据具体情况选择合适的焊接参数，以确保焊接接头具有良好的性能。

综上所述，AZ31B镁合金搅拌摩擦焊具有优异的组织性能和力学性能，在实际工程中具有广泛的应用前景。

通过对焊接参数的优化，可以进一步提高焊接接头的性能，为镁合金材料的应用提供更加可靠的焊接解决方案。

搅拌摩擦焊接与加工AZ31镁合金的组织、织构和力学性能研究搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型固相连接技术已被广泛证明是镁合金的理想焊接方法。

但当前对镁合金FSW的研究,尤其是对组织-性能关系仍然缺乏系统且深入的阐释。

在焊接性能优异的变形镁合金时,FSW接头的力学性能特别是抗拉强度往往难以达到母材水平。

优化焊接工艺参数、发展接头强化工艺并揭示其内在机制成为镁合金FSW的研究趋势。

另外,随着工业生产中焊接结构及工件形状的不断复杂化,新型FSW衍生技术如双轴肩搅拌摩擦焊(BTFSW)也逐渐得到应用,但是当前关于这种工艺下的镁合金接头组织及性能的研究仍十分不足。

除此之外,尽管镁合金FSW接头的组织演变及力学性能与孪生密切相关,当前对搅拌区内具体的孪生行为及机制仍缺乏足够的认识。

因此,针对这些问题开展了以下研究工作。

对挤压态AZ31板材分别沿着与板材挤压方向成0°、45°、90°夹角的方向进行FSW,以此来获得不同的接头初始织构。

研究表明,在相同焊接工艺参数下,接头初始织构的差异几乎不影响搅拌区(SZ)内微观组织及织构演变,而是会导致产生不同的热机影响区(TMAZ)织构。

在TMAZ的组织演变过程中,拉伸孪生及相伴的孪晶诱导动态再结晶是主要的影响机制。

TMAZ的织构组分表现出随位置连续梯度变化的特点。

沿不同方向焊接所得的3种接头具有相近的屈服强度(YS)与抗拉强度(UTS),但对焊接方向与挤压方向成45°的接头,所得接头具有最大延伸率(E1),其各亚区之间良好的变形协调作用能有效缓解局部应变集中。

这表明焊接时控制初始织构有助于提高接头综合力学性能。

3种接头的SZ内具有相似的硬度分布规律,硬度会随着远离SZ中部而向两侧逐渐减小,这种变化趋势是由SZ内特殊分布的强织构所导致。

3种接头的断裂位置表现出明确的倾向性,这与接头各亚区之间变形协调的差异性以及拉伸后期在SZ中部形成的压缩孪晶有关。

中科院科技成果——搅拌摩擦焊接与加工技术
项目简介
搅拌摩擦焊接（FSW）是一种新兴的固相焊接技术，具有高效、优质、节能、无污染、适用范围广泛等特点，在航空航天、汽车、造船、化工等行业具有广泛的应用前景。

金属所在国内较早开展了FSW的研究工作，目前在焊接工具开发，铝合金、镁合金、铜合金、铝基复合材料的焊接，以及铝-铜、铝-镁、铝-大块非晶等异种金属的焊接研究方面取得了丰硕的研究成果。

可以进行对接、搭接、丁字接以及管材的纵缝与环缝等多种形式的焊接。

已申请多项国家发明专利，并已有部分成果获得应用。

技术特点
搅拌摩擦加工（FSP）是在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种多功能的金属材料塑性加工技术。

搅拌摩擦加工的细晶/超细晶铝合金、镁合金在广泛的温度范围内实现低温/高应变速率超塑性。

搅拌摩擦加工AZ91D镁合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、抗疲劳强度分别为180MPa、340MPa、13%、105MPa。

搅拌摩擦加工A356铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、抗疲劳强度分别250MPa、310MPa、14%、90MPa。

搅拌摩擦加工镍铝青铜的屈服强度、抗拉强度、延伸率、抗疲劳强度分别为470MPa、800MPa、28%、90MPa，抗腐蚀性能提高30%以上。

铸件缺陷修复深度＞10mm，单道次宽度＞12mm，修复区强度≥致密母材。

搅拌摩擦加工镁合金微观组织与力学性能研究搅拌摩擦加工镁合金微观组织与力学性能研究摘要：镁合金具有重量轻、比强度高、可循环利用等优点，在航空、汽车、电子等领域得到广泛应用。

然而，由于镁合金的塑性低、容易发生晶界溶解、亚晶界过冷、析出相等问题，限制了其进一步应用。

为改善镁合金的力学性能，本研究采用了搅拌摩擦加工（stir friction processing，SFP）技术，通过对镁合金进行SFP处理，研究其微观组织的形成规律与力学性能的变化。

关键词：镁合金；搅拌摩擦加工；微观组织；力学性能1. 引言镁合金由于其优良的物理和机械性能，被广泛应用于各个领域，特别是汽车和航空工业。

然而，镁合金的应用受到其低塑性和易腐蚀等缺点的制约。

在过去的几十年中，通过改变合金化元素和添加微量合金元素等方法进行了许多改进，但仍存在一定的局限性。

因此，寻找一种新的制备方法来改善镁合金的力学性能是十分重要的。

2. 材料与方法本研究选取了常用的AZ31镁合金作为研究对象，采用了搅拌摩擦加工（SFP）技术进行处理。

在SFP过程中，使用了特殊设计的工具头，将合金坯料进行高速搅拌、摩擦和塑性变形。

随后，进行了金相显微镜观察、扫描电子显微镜（SEM）分析和X射线衍射（XRD）分析等，以研究镁合金的微观组织和结构变化，并对力学性能进行测试。

3. 结果与讨论通过SFP处理，观察到AZ31镁合金的晶粒尺寸显著减小，且晶界和亚晶界呈现出更多的弯曲和扭曲。

此外，通过SEM和XRD分析发现，在SFP过程中，合金中形成了大量的析出相，对于镁合金的强度和硬度的提升起到了重要作用。

进一步的力学性能测试结果表明，经过SFP处理的AZ31镁合金的抗拉强度和屈服强度均有所提高，而延伸率略有下降。

4. 结论本研究通过SFP处理改善了AZ31镁合金的力学性能。

SFP处理导致合金的晶粒细化、晶界和亚晶界变形以及析出相的形成，进而提高了其力学性能。

然而，值得注意的是，SFP处理会导致延伸率的下降，因此在实际应用中需要综合考虑力学性能的要求。