采用6061-T6铝合金基材和6061-TiC填充丝进行MIG焊接所得接头的微观结构与力学性能：TiC纳米颗粒与焊后热处理的协同效应

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical properties of MIG-welded 6061-T6 aluminum alloy joints with 6061–TiC filler wire: synergistic effects of TiC nanoparticles and post-weld heat treatment

焊接过程中添加1.5wt% TiC纳米颗粒的6061-TiC匹配焊丝，结合后焊接热处理(PWHT)，显著细化焊缝区晶粒至13.7μm，抑制热裂纹形成，同时PWHT促使Al18Mg3Ti2和Al3Ti相析出高密度β''相，使接头抗拉强度达281.7MPa，延伸率提升59%至17.0%，实现强度与延展性平衡，为6000系铝合金可持续焊接提供新方法。

　　

江文斌|赵晨旭|黄耀|丁彦健|齐亮|陈吉强|周丽

中国赣州江西科技大学有色金属结构材料国家重点实验室，341000

摘要

使用6000系列填充焊丝焊接6000系列铝合金可以保持焊缝区（WZ）和基材（BM）之间的化学成分一致，这有利于后续的材料回收，但也会使接头在焊接过程中更容易发生热裂纹。在本研究中，使用含有1.5 wt% TiC纳米颗粒的6061–TiC填充焊丝通过金属惰性气体（MIG）工艺焊接6061铝合金，并将所得接头与使用传统4043填充焊丝焊接的接头进行比较。系统评估了纳米颗粒添加和焊后热处理（PWHT）对6061接头微观结构和力学性能的联合影响。结果表明，TiC纳米颗粒细化了WZ中的凝固微观结构，将粗大的柱状晶粒（83.4 μm）转变为细小的等轴晶粒（13.7 μm），从而抑制了热裂纹的形成。同时，形成了随机取向的弱织构，有利于均匀的塑性变形。焊接过程中形成的Al₁₈Mg₃Ti₂和Al₃Ti相促进了PWHT过程中高密度纳米级β′′强化相的析出。这种微观结构改善了6061接头的强度-延展性平衡。接头的抗拉强度为281.7 MPa，伸长率为17.0%，比使用4043填充焊丝焊接的接头高出59%。这些发现表明，纳米颗粒辅助的凝固细化增强了抗热裂纹能力并提高了延展性，而PWHT诱导的β′′析出提高了强度。这种焊接方法有助于6000系列铝合金的高性能焊接，并提高了可回收性，为可持续制造做出了贡献。

引言

全球向碳达峰和碳中和的推进使得轻量化运输成为节能和减排的关键途径[1,2]。在铝合金中，6000系列，特别是6061合金，因其特定的强度、成形性和耐腐蚀性而成为结构部件和电池外壳的理想选择[[3], [4], [5], [6], [7]]。有多种熔焊方法可用于连接铝合金，如激光焊接或电子束焊接[8,9]。金属惰性气体（MIG）焊接工艺在工业上广泛用于连接钢材[[10], [11], [12]]，但在连接铝合金时存在一些困难。孔隙形成是铝合金熔焊（包括MIG焊接）的一个固有问题[13,14]。尽管固态摩擦搅拌焊接（FSW）可以消除孔隙形成，但无法避免焊缝区域（HAZ）的强度损失，尤其是在6061合金中[15,16]。此外，由于6061铝合金具有较宽的凝固温度范围和不足的晶间生长[17], [18], [19]，在熔焊过程中容易发生热裂纹。受控的无填充搭接焊接测试证实，该合金比2024和7075合金更容易开裂[20]。

减轻热裂纹倾向的策略通常分为两类：工艺控制和冶金改性。工艺控制方法可用于调整熔池热条件，包括优化热输入[21]、调整焊接参数[22,23]以及应用外部物理场，如超声波振动[24]和电磁搅拌[25]。尽管这些方法有效，但它们要求设备具有较高的精度和稳定的运行条件，且加工窗口较窄，限制了其工业应用的可扩展性。在冶金改性领域，相关研究主要集中在开发化学成分与基材（BM）不同的填充焊丝上，以控制焊缝区（WZ）的微观结构。常见的例子包括Al–Si填充焊丝（如4043），通过Al–Si共晶形成来改善晶间生长[26,27]，以及添加Sc和Zr来促进异质形核[28,29]。虽然这些方法部分抑制了热裂纹，但WZ中的化学不均匀性导致与BM的性能不匹配[30,31]，还增加了由于电位差引起的局部电偶腐蚀风险[32]。战略元素（如Sc）的高成本进一步限制了它们的广泛应用[33]。从可持续性的角度来看，使用填充焊丝引入不同的合金元素会污染回收材料流，复杂化净化过程并阻碍闭环回收[34,35]。

在这种背景下，一种确保填充焊丝与BM化学成分一致的焊接策略能够实现性能兼容性并支持可持续的合金回收。这种方法符合材料元素化的概念，有助于循环经济中的价值提升[36]。然而，仅通过使用与BM成分匹配的填充焊丝无法完全克服6000系列合金的固有凝固裂纹倾向[37]。

为了提高这种成分匹配接头的可焊性，可以采用冶金策略。一种途径是通过先进的合金设计和热机械处理来改进填充焊丝本身的性能[38]。另一种更直接且保持成分的方法是引入外源陶瓷纳米颗粒（如TiC、WC）。这些颗粒主要在熔池中作为惰性的物理晶粒细化剂，这种机制与其他焊接过程不同[39]。

最近的研究表明，纳米颗粒强化可以通过细化WZ中的凝固微观结构来解决这一问题。当焊接7075铝合金时，向填充焊丝中引入TiC和TiB₂等纳米颗粒可以显著细化WZ中的晶粒[40,41]。例如，添加1.7 vol%的TiC可将WZ中的平均晶粒尺寸从70.5 μm降低到9.4 μm[37]。这些颗粒作为异质形核基底，促进等轴晶粒的形成，并通过Zener钉扎作用阻止晶界迁移，从而优化了低熔点共晶相的分布[41]。

尽管取得了这些进展，但对MIG焊接过程的研究仍然有限。一个显著的问题是：大多数研究集中在7000系列合金上，而6000系列在工业上更为普遍，且面临更严重的可焊性挑战。此外，纳米颗粒对焊后热处理（PWHT）期间析出行为的影响尚未得到充分理解。在本研究中，将TiC纳米颗粒引入6061–TiC填充焊丝中，系统地揭示了纳米颗粒强化在同时调节凝固微观结构和PWHT期间后续析出行为中的协同效应。研究结果旨在提供机制洞察和实验证据，支持6000系列铝合金的高性能、可回收焊接技术。

材料与焊接工艺

6毫米厚的6061-T6铝合金板通过MIG焊接进行连接（图1）。使用了两种直径为1.2毫米的填充焊丝：一种新的6061–TiC填充焊丝，含有1.5 wt%的TiC纳米颗粒（约50 nm）；另一种是化学成分不匹配的4043填充焊丝。在本研究中，使用匹配的6061–TiC填充焊丝焊接的接头被称为相似金属焊接接头（SMW），因为填充金属的化学成分与6061 BM相同。使用不匹配的4043填充焊丝焊接的接头...

微观结构

使用不同填充焊丝焊接的接头的微观结构特征如图4所示。所有接头中的熔合线（用红色虚线标出）是对称的。使用4043填充焊丝焊接的WZ表现出典型的树枝状凝固结构，具有粗大的柱状晶粒。相比之下，使用6061–TiC填充焊丝焊接的WZ具有细小、近乎球形的等轴晶粒，微观结构明显得到细化。

析出物的演变

研究了WZ中二次相的特性，以关联微观结构演变与力学性能。图9展示了高倍率TEM图像，重点关注焊接状态和PWHT后的WZ中的晶界区域。晶界析出物的类型和分布是通过选区电子衍射（SAED）确定的。

图9a显示了WZ中晶界沿线的两种不同类型的析出物...

结论

本研究展示了一种可行的相似金属焊接策略，用于6061铝合金，克服了使用不匹配填充焊丝方法的性能和可回收性限制。该方法结合了TiC纳米颗粒强化的6061–TiC填充焊丝和PWHT工艺，为6000系列合金的可持续和高性能制造开辟了有希望的途径。主要发现总结如下：

• (1)
  WZ中的TiC纳米颗粒诱导了...

CRediT作者贡献声明

江文斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，数据管理。赵晨旭：指导，方法论，研究。黄耀：指导，方法论，研究。丁彦健：可视化。齐亮：撰写 – 审稿与编辑，指导，形式分析。陈吉强：撰写 – 审稿与编辑，指导，形式分析。周丽：概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢江西科技大学的博士科学研究基金（项目编号：205200100693）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M740350）以及江西科技大学的青江优秀青年人才计划（项目编号：JXUSTQJYX2020022）的支持。