镁合金焊接接头表面自纳米化及其疲劳性能优化

镁合金具有密度小、比强度高、耐冲击、减振性好、电磁屏蔽性能优异以及易回收无污染等优点，成为继钢铁、铝合金材料之后的第三大金属结构材料。近几年随着生产能力和技术水平的提高，生产成本的下降，镁合金已从主要应用于国防和航空航天产品，扩展到汽车及其他民用领域[101]。但由于镁合金具有化学性质活泼、熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点，使其在焊接过程中更易出现粗晶形成低熔共晶体（与其他金属），产生热裂纹、热应力、气孔、蒸发、夹渣等问题[102]，因此，镁合金焊接接头的疲劳性能仅达到母材的60%～70%[103]，成为镁合金应用亟待解决的关键技术难题。

工程结构材料的疲劳失效大多起始于表面，因此通过对表层组织和性能的优化可大幅改善材料疲劳性能，延长使用寿命[104]。形变诱发金属材料表面自身纳米化是近几年发展起来的一种特殊的表面强化技术，它采用冲击机械能使材料表面产生大的塑性变形，增加材料表面的自由能，从而使表层组织细化，而基体仍保持原粗晶状态，可显著提高工程材料的综合性能，诸如疲劳强度[105-108]、耐磨性能[109-111]、耐腐蚀性能[112-114]；并且表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和脱落。因此，被认为是纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。

（1）镁合金表面自纳米化研究。

表面自身纳米化的实质是由于大塑性变形使大尺寸晶粒“破碎”，形成细小晶粒至纳米晶的过程。这种“破碎”是在位错、孪晶等不同的基本变形方式下逐渐在大尺寸晶粒内引入小角晶界，小角晶界再发展成大角晶界，从而细化成小晶粒，如此往复的过程。决定材料的基本变形方式是材料的层错能和晶体结构，由于两者的差异，不同材料晶粒细化的具体过程是不同的[115，116]。文献[117]也认为，不同结构材料的纳米化行为存在差异，在纳米化工艺及参数一定的情况下，材料的塑性变形方式和纳米化机理主要与其层错能和滑移系数目有关。滑移系较多的立方金属及合金，层错能起主导作用。高层错能金属的塑性变形主要以位错运动为主，位错运动使晶粒分割与再分割是表面纳米晶形成的主要机制，变形过程中没有孪晶生成。低层错能的立方金属，在塑性变形初期形成大量位错，随着变形的增加，孪晶取代位错成为主要变形方式，实现表面晶粒的纳米化[118]。而对于具有密排六方（HCP）晶体结构的镁及其合金，与其他常用金属相比，滑移系少是造成塑性变形能力差的主要原因，其塑性变形机理和纳米晶的形成过程至今还存在争议。

近两年，研究者通过大塑性变形在滑移系较少的HCP 结构镁合金中实现了纳米化[119、120]，并对纳米晶粒的形成机制展开了讨论。

徐开东等[121]利用超声速火焰喷涂设备（HVOF）获得的低温HVOF 微粒撞击稀土镁合金表面，使镁合金表面纳米化，晶粒尺寸小于20 nm，晶粒取向随机，纳米晶层深大于 80 μm，晶粒尺寸随着距表面的距离逐渐增大，呈现梯度变化。低温HVOF 撞击导致晶粒内部出现大量的残余应力，随着应力集中形成了大量的孪晶，孪晶相互交割及其与位错的协调变形，促使大晶粒分割细化，最终形成了纳米晶。

王继娜[122]、XU K[123]采用多功能超声速火焰喷涂设备对Mg-Gd 系稀土变形镁合金进行表面纳米化处理，产生了严重塑性变形的表层、变形孪晶为主的亚表层及靠近基体轻微变形的过渡层。其中严重塑性变形引起的组织超细化表层的厚度约70 μm，孪晶层的厚度达300 μm 以上。最表层的晶粒细化显著，大部分纳米晶粒呈等轴状，晶界清晰，但在晶粒内存在大量位错和严重的畸变现象。

侯利锋、Liu B S 等[124，125]利用表面机械研磨技术（SMAT）在AZ31B 镁合金表面施加剧烈塑性变形，获得纳米晶组织的细化表层，表层纳米晶为单一的α 相组织，晶粒呈等轴状，取向呈随机分布。他们认为其主要变形方式为孪晶，尽管孪晶本身对塑性变形贡献不大，但它可以使处于不利于滑移和孪生方向的晶粒重排，以便进一步滑移和孪生。孪生之间的交互作用，使孪晶片分割成块状，且孪晶内存在大量的位错。研究还发现在塑性变形的过程中发生了明显的动态再结晶。随着变形量的增加，由心部到表层经历了由孪晶的交互作用到位错的缠结，再到动态再结晶的过程，使得晶粒逐渐细化成纳米晶。AZ31 镁合金表面纳米化是通过孪生和动态再结晶共同作用的结果；样品表层明显强化，其强化原因为晶粒细化和加工硬化。

刘宝胜[126]以铸造态AZ91D 镁合金（大约含有15.4wt%的β-Mg17Al12 相）为研究对象，研究其塑性变形机制和晶粒细化机制。认为AZ91D 镁合金表面强化主要是通过晶粒细化、β-Mg17Al12 相的返溶和加工硬化。其变形方式是位错滑移，塑性变形区主要有3 种位错组态：位错环、位错墙和位错缠结。随着应变的增加，3 种位错组态逐渐演变为位错胞和亚晶。并且随着应力的增大和撞击引起温度的升高，表面层产生动态再结晶，最终在动态再结晶的作用下晶粒得以细化。除 Al 含量影响镁合金的塑性变形机制外，β-Mg17Al12相也起了关键的作用，它使镁合金的塑性变形由孪生转变为位错滑移。

而Sun 等[127]认为镁合金首先通过孪晶将原始粗晶粒分割为孪晶片，随着变形量的增加，双孪晶和层错形成并且启动位错滑移，最终实现了镁合金的纳米化；文献[128]则认为密排六方金属，一般通过机械孪生来协调塑性变形，晶粒细化机制为孪晶分割。

（2）表面自纳米化技术在镁合金焊接接头疲劳性能改善中的研究。

表面纳米化作为一种表面工程技术，解决了决定焊接接头疲劳裂纹萌生和扩展的内在因素之间的矛盾，在细化接头表面晶粒的同时，使基体又保持粗晶状态。因此是提高焊接接头疲劳性能的一种有效的方法。(www.xing528.com)

首先，焊接接头表面严重塑性变形后，消除了因焊接而产生的对焊接接头疲劳性能非常不利的拉应力，并且在焊缝区表面形成了有利于提高疲劳性能的残余压应力。表面残余压应力的存在，抵消了焊接接头受载时表面的部分或全部拉应力，最大拉应力从接头的表面移向内部，使疲劳裂纹在表面难以形成，而移向硬化层以下拉应力区的某一薄弱晶粒内。此时，疲劳源放出的位错将受到内外晶界的阻碍，而不像在表面时，疲劳源放出的位错一端可以自由移出表面，这样开动新的位错就需要更大的驱动力。也就是说由于残余压应力的存在，使得萌生内部疲劳裂纹的临界抗力要高于在表面萌生疲劳裂纹的临界抗力，从而提高疲劳寿命[129]。

其次，金属表面滑移带、夹杂物、晶界或第二相与基体的界面上是应力集中较高的地方，因此，疲劳裂纹往往源于表面。表面自纳米化可在焊缝区的表面形成纳米强化层，表面的滑移带、晶界、第二相界面相对减少；细化晶粒相当于减小了滑移距离，减小了在晶界上位错塞积所引起的应力集中，能够有效地阻止焊接接头表面疲劳裂纹的萌生。而且，表面自纳米化有利于消除焊接接头表层可能存在的、易发展成为裂纹形成核心的各种缺陷，并钝化次表层存在的缺陷。另外，从断裂力学可知，材料的冷脆转化温度越低，其发生脆断的可能性越小，疲劳倾向也就越小。而冷脆转化温度与晶粒大小有关，晶粒越小，则冷脆转化温度越低[130]。

第三，焊接接头表面自纳米化后，基体仍保持原粗晶状态，有助于抑制裂纹扩展。许多研究表明，疲劳裂纹扩展速率da/dN 在全部疲劳门槛值ΔKth范围内不是线性的，它受控于裂纹尖端的应力场强度因子幅度ΔK。ΔK 越大，越有利于抵抗疲劳裂纹的扩展，而ΔK 随晶粒尺寸的增加而增加，也就是说，粗晶有助于抵抗裂纹扩展。

由于镁合金的熔点低，导热快，焊接加热时需要大功率，除接头成形不好，造成较大的应力集中外，热影响区容易过热，导致晶粒粗大，是引起镁合金焊接接头性能下降的主要原因[131]。并且，镁合金是一种对循环载荷十分敏感的材料，焊接过程产生的焊接缺陷、残余拉应力以及粗大的组织，往往会导致镁合金焊接结构的疲劳性能恶化，使焊接接头在远小于抗拉强度的动载作用下发生失效。因此，疲劳性能是影响镁合金在承受动载结构中应用的主要因素之一[132]。已有研究表明[103，133]，晶粒尺寸可对镁合金疲劳裂纹扩展速率产生较大影响。

有研究者采用超声喷丸处理AZ31 镁合金TIG 角焊缝接头和十字接头[134]，两种接头在超声喷丸处理后的疲劳强度分别为30.3 MPa 和24.7 MPa，分别提高了51.5%和43.6%。刘政军[135]研究了焊接过程中外加磁场对镁合金焊接接头疲劳性能的影响，研究表明，外加磁场使熔池中的杂质得到球化和净化，使晶粒得到细化，能够有效地改善镁合金焊接接头疲劳性能，使焊接接头的疲劳性能达到母材的83%以上。张兰[95]研究了TIG 熔修、激光熔凝与超声冲击对AZ31B 镁合金焊接接头疲劳性能的影响。TIG 熔修与超声冲击都可以使焊缝表层晶粒得到高度细化，并可消除焊趾部位的微观夹渣和微小咬边等缺陷，提高焊趾部位的表面质量，消除表面微观裂纹源；同时超声冲击使受冲击部位形成了有利于疲劳强度提高的表面压应力，并使焊趾过渡区曲率半径增加，应力集中降低。激光熔凝处理接头焊趾部位，虽可使熔凝区金属晶粒得到高度细化，但是焊接接头熔凝层表面成型质量较差，呈现为凹凸不平的小坑，产生了较大的应力集中，加速了焊接接头的疲劳破坏，说明激光熔凝处理对工艺要求非常严格。He 等[119]对AZ91D 镁合金进行超声冲击处理，样品表面的晶粒得到明显细化。

（3）研究展望。

已有的研究表明，疲劳性能是影响镁合金在承受动态载荷结构中应用的主要因素之一。目前国内外虽有研究者从焊接工艺控制、TIG 焊重熔、激光熔凝处理、超声喷丸、焊接过程中进行电磁搅拌等方面对提高镁合金焊接接头的疲劳性能进行了一定的研究，但存在以下问题：TIG 焊重熔只能去掉应力集中，并不能改善焊接接头的残余应力分布，且施工工艺复杂，如需对构件预热、清洗且需要保护气体，工艺不当反而会造成副作用。激光熔凝处理镁合金焊接接头，虽可使熔凝区金属晶粒得到高度细化，但对工艺要求极为严格，且焊接接头熔凝层表面易出现凹凸不平的小坑，产生较大的应力集中，加速了焊接接头的疲劳破坏。焊接过程中引入磁场，通过电磁搅拌使晶粒得到细化，使熔池中的杂质得到球化和净化，能够改善镁合金焊接接头疲劳性能，但焊接过程中线圈的行走速度与送丝速度必须高度协调。喷丸法噪声大、设备庞大、投资大、不能方便地移动作业，且由于丸粒反弹，存在安全防护以及丸粒需要回收清理的问题。

超声冲击处理是一种旨在改善焊接接头疲劳性能的新技术，通过在焊趾或焊缝表面引入残余压应力、改善焊趾几何形状减少应力集中程度来提高焊接接头的疲劳强度[136]，而且由于剧烈的塑性变形，还会使焊缝表层材料产生微观组织结构变化，细化焊缝附近组织，对焊接接头的性能产生重要的影响[137，138]。但是目前针对镁合金焊接接头的研究很少。

目前，有关镁合金焊接结构疲劳性能的研究主要是在研究镁合金焊接工艺的过程中，将焊接接头的疲劳性能作为评估焊接方法的一项内容。少量针对镁合金焊接接头疲劳性能的改善研究也主要是借鉴了一般钢铁材料焊接接头疲劳性能改善的做法，即从改变焊接接头残余应力状态和降低应力集中的角度采取措施。然而影响镁合金焊接接头疲劳性能的主要原因与一般钢铁材料有很大的不同，除存在残余拉应力以及焊缝几何形状所带来的应力集中外，热影响区组织粗大也是引起接头疲劳性能下降的主要原因。

从国内外研究情况看，用一定方法可以在金属材料表面形成纳米晶粒，获得的纳米晶组织能够不同程度地提高材料的疲劳性能。但目前金属材料表面自身纳米化还基本处于实验室研究阶段，主要研究纳米化方法及纳米化工艺参数对纳米化组织与性能的影响。镁合金焊接接头表面纳米化及对焊接接头疲劳性能影响的研究才刚刚起步，超声冲击镁合金焊接接头表面塑性变形机制及纳米晶粒细化机制的研究很少；从焊接接头表面自身纳米化，改善热影响区晶粒粗大的角度进行镁合金焊接接头疲劳失效机理的研究报道很少。因此，开展超声冲击处理对镁合金焊接接头疲劳性能改善研究具有重要意义[139，140]。