《Materials Characterization》：Critical strengthening mechanism induced by dispersed Al
3Zr in Al-Zn-Mg-Cu alloys laser-MIG hybrid welded joint: Tailoring double-scale second phases precipitation
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Al-Zn-Mg-Cu合金焊接接头中Al?CuMg相因塑性不兼容引发晶界断裂，通过引入Al?Zr相调控纳米级和微米级第二相，细化晶粒至4.94μm，接头强度达407.11MPa（基材72.7%），延伸率4.79%，有效抑制裂纹并提升综合性能。
谭卓明|丁志杰|宋文康|周晓辉|李鹏|刘福云|李世伟|董宏刚|李新康|韩晓辉|谭彩旺
大连工业大学材料科学与工程学院，中国大连116024
摘要
第二相强化是影响Al-Zn-Mg-Cu合金熔焊接头机械性能的关键强化机制。然而，Al?CuMg相由于软质晶粒（低沉淀物密度）与硬质相（晶界偏析）之间的塑性不兼容性，会导致晶间失效。为此，我们研究了在焊接接头中原位生成Al?Zr对微观结构和机械性能的影响，重点关注双尺度第二相的调控机制。结果表明，Al?Zr作为异质形核基底，促进了晶粒尺寸从16.19 μm细化到4.94 μm。致密的晶界稀释了低扩散系数元素（Zn、Mg和Cu）的含量，晶界偏析的微米级第二相尺寸从1 μm减小到0.5 μm。第一性原理计算表明，Zn和Mg元素倾向于在Al?Zr/α-Al界面聚集。此外，Al?Zr周围的位错网络促进了纳米相的沉淀。焊接接头的抗拉强度和延伸率分别提高到了407.11 MPa（基材的72.7%）和4.79%。通过引入Al?Zr相，本研究实现了双尺度第二相的调控，为高强度铝合金的实际应用中的熔焊提供了指导。
引言
7000系列铝合金具有优异的比强度，常用于航空航天和军事领域[1]。Al-Zn-Mg-Cu合金是一种用于轻量化结构的关键材料，其可焊性激发了人们对各种熔焊技术的深入研究。这些方法包括激光焊接[2]、电弧焊接[3]、电子束焊接[4]和激光-电弧混合焊接[5]，因为它们具有灵活性和高效性。然而，普遍存在的凝固裂纹问题限制了这种合金熔焊接头的广泛应用。ER5356焊丝已被证明通过提供高Mg含量有效降低了Al-Zn-Mg-Cu合金的裂纹敏感性[6]。值得注意的是，当使用Al-Mg焊丝时，焊接接头的机械性能通常不令人满意。因此，需要在保持有效裂纹抑制的同时进一步强化Al-Zn-Mg-Cu焊接接头。
Al-Zn-Mg-Cu合金的机械强度主要取决于沉淀状态，而纳米沉淀相（如MgZn?）的溶解或粗化会导致熔焊接头性能下降[4]。在熔焊过程中，对于提高机械强度至关重要的合金元素Zn和Mg由于其相对较低的沸点容易蒸发[7]。凝固时，熔合区形成过饱和固溶体，从而限制了强化相的后续沉淀。此外，焊接接头表现出明显的晶界脆化，这归因于其宽的凝固温度范围和相关的偏析行为[8]。由于Zn、Mg和Cu的溶质分配系数小于1[9]，Al-Zn-Mg-Cu合金的焊接接头在晶界处形成了粗大的第二相。胡等人[10]强调，由于凝固过程中的偏析，晶界富集了强化元素Zn、Mg和Cu。因此，晶界上装饰着S（Al?CuMg）、T（Al?Mg?Zn?）和Mg（Zn, Al, Cu）?等相互连接的相[11]、[12]。此外，硬质相与软质晶粒内部（低沉淀物密度）之间的塑性不兼容性限制了焊接接头机械性能的提高。在加载过程中，裂纹容易在晶界的AlCuMg相周围形成并扩展。此外，严重的元素偏析和快速冷却共同作用限制了晶内的再沉淀。值得注意的是，两种尺度（纳米和微米）上的强化相状态直接影响焊接接头的强度和延展性。
为了优化微观结构，细小的等轴结构因其优异的性能而被广泛认可。引入形核粒子是实现均匀等轴结构的有效方法[13]。Atamanenko等人[14]指出，引入形核粒子增加了液固界面的过冷度，降低了临界形核半径，从而促进了晶粒细化。Leng等人[15]发现Sc和Zr是用于高强度铝合金孕育处理的常用元素，显示出在晶粒细化方面的优势。Saha等人[16]报告称，Al?Zr由于其高熔点（约1623 K）和低密度（3.4 g/cm3）的特性，在高温下表现出较低的粗化率和稳定性。Kong等人[17]通过第一性原理计算表明，Al?Zr相具有最优越的结构稳定性（与Al?X相比，X = Sc、Er、Yb、Hf）。这些发现证实了Al?Zr的形成对铝合金焊接接头的微观结构有积极影响。
通常，Al?Zr通过细化晶粒尺寸、增加位错密度和提供额外的第二相强化显著提高了铝合金焊接接头的机械性能[18]、[19]。然而，Al?Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金焊接接头中第二相沉淀的影响经常被忽视，没有考虑诸如竞争沉淀等相互作用。显然，Al?Zr实现的晶粒细化改善了晶界特性，这不可避免地影响了高强度铝合金中容易在晶界偏析的粗大第二相。此外，郭等人[20]发现Zr在凝固过程中倾向于在树枝晶中心富集，导致7150铝合金晶粒内频繁沉淀Al?Zr。尽管如此，Al?Zr对高强度铝合金中关键晶内纳米相（η、η'）的影响仍不清楚。因此，需要进一步研究含有Al?Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金的焊接。
尽管Al?Zr改善了Al-Zn-Mg-Cu合金的接头性能，但关于Al?Zr与传统第二相之间相关性的研究有限。此外，Al?Zr对其他第二相调控的潜在强化机制也不甚明了。基于上述考虑，使用多种焊接工艺（包括激光-MIG混合焊接（LAHW）、振荡激光-MIG混合焊接（OLAHW）和带有Zr包层的振荡激光-MIG混合焊接（OLAHW+Zr）对Al-Zn-Mg-Cu合金进行了实验研究。该研究重点关注Al?Zr对焊接接头中双尺度第二相的影响模式和调控机制。这种方法实现了Al-Zn-Mg-Cu合金的高质量熔焊，展示了更广泛工业应用的潜力。
材料
使用尺寸为150 mm × 50 mm × 4 mm的T6状态Al-Zn-Mg-Cu合金板作为对接接头。选择直径为1.2 mm的Al-Mg焊丝（ER5356）作为填充金属。表1列出了Al-Zn-Mg-Cu合金和填充金属的化学成分。此外，球形Zr粉末的粒径约为15–100 μm。使用激光包层技术将Zr粉末沉积在板材的侧壁上。图1展示了包层的形态和元素分布
晶粒结构特征
图3展示了不同工艺下焊接接头的横截面形态和微观结构特征。三种工艺之间的焊缝宽度没有显著差异。在LAHW工艺中，熔合线相对较陡，并表现出明显的收缩趋势。振荡激光促进了焊缝中的横向热扩散，使得熔合线更加平滑，如图3(b)(c)所示。此外，Zr包层层有显著的效果
细小等轴微观结构的形成机制
上述结果表明，细小等轴微观结构是通过Zr包层预处理形成的。Sundaresan等人[31]指出，在铝合金焊接过程中，Zr、Sc、Ti和B等微量元素充当了形核基底。初步推断表明，Zr元素通过增加异质形核率改变了熔池的凝固机制。在本研究中，通过焊接过程中原位生成Al?Zr来细化晶粒。
结论
本研究探讨了Al?Zr对Al-Zn-Mg-Cu合金焊接接头微观结构和机械性能的影响。重点阐明了在Al?Zr作用下的晶粒细化机制和双尺度第二相的调控机制。主要发现总结如下：
(1)通过引入与α-Al相比错配值为0.5%的Al?Zr相，平均晶粒尺寸从33.44 μm减小到4.94 μm。
作者贡献声明
谭卓明：数据整理、软件、撰写——初稿。丁志杰：方法论、软件。宋文康：研究、验证。周晓辉：概念化。李鹏：监督、撰写——审阅与编辑。刘福云：概念化、撰写——审阅与编辑。李世伟：正式分析。董宏刚：正式分析。李新康：资源准备。韩晓辉：资源准备。谭彩旺：资金获取、监督。
利益冲突声明
作者声明他们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
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52475332）、国家自然科学基金（编号：52505360）、山东省自然科学基金（编号：ZR2024QE118）和山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS722）的支持。
