超声振动抑制铝镁异种合金搅拌摩擦焊接中金属间化合物生长的机理研究

推荐：针对Al/Mg异种合金搅拌摩擦焊接(FSW)中硬脆金属间化合物(IMCs)严重影响接头完整性的难题，研究人员通过超声振动增强搅拌摩擦焊(UVeFSW)技术，结合TEM、EBSD和微区XRD等多尺度表征手段，揭示了超声通过降低位错密度抑制短路扩散的机制，使IMCs厚度减少25-51.5%，为提升轻量化材料焊接性能提供了新思路。

　　

在轻量化制造领域，铝(Al)和镁(Mg)合金因其低密度和高比强度成为汽车减重的理想材料。然而，这两种金属在焊接时会产生Al₁₂Mg₁₇和Al₃Mg₂等硬脆金属间化合物(IMCs)，如同在接缝处埋下"隐形裂纹"，严重削弱接头强度。传统搅拌摩擦焊(FSW)虽能减轻IMCs问题，但仍有明显缺陷——这就像试图用钝刀切蛋糕，虽然比直接砸蛋糕好，但依然会留下不完美的切面。更棘手的是，关于IMCs的形成机制存在两种理论争议：是固态原子扩散主导，还是局部共晶反应所致？这种科学争议直接影响了工艺优化方向。

为解决这一难题，山东大学材料连接研究所团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表研究，创新性地将超声振动(UV)引入FSW工艺。研究人员采用AA6061-T6铝合金和AZ31B-H24镁合金，通过自主研发的无线测温系统监测焊接温度，结合透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)等先进表征技术，并建立多相场模型进行数值模拟。

4.1 SEM表征揭示超声减薄效应

通过SEM-EDS线扫描定量分析发现，超声振动增强搅拌摩擦焊(UVeFSW)使IMCs厚度显著降低，其中A2/B2位置降幅达51.5%。TEM观测显示IMCs呈现Al₃Mg₂(FCC结构)/Al₁₂Mg₁₇(BCC结构)双层结构，超声能将其从多层转变为单层晶粒。

4.2 温度测量否定共晶反应机制

原位测温数据显示焊接峰值温度仅296.6°C，远低于Al-Mg共晶温度(437-450°C)，且未发现共晶组织特征，证实IMCs通过固态扩散形成。

4.3 位错密度变化是关键机制

EBSD和微区XRD分析表明，UV使几何必需位错密度(ρ^GND)降低最高达38.82%，总位错密度(ρ^TD)降低51.69%。相场模拟再现了超声促进位错重排和湮灭的动态过程，揭示其通过抑制短路扩散路径来减缓原子扩散速率。

这项研究突破了传统"机械破碎IMCs"的理论认知，首次阐明超声振动通过调控位错动力学来抑制IMCs生长的物理本质。该发现为发展高性能轻合金焊接技术提供了全新思路，对新能源汽车、航空航天等领域的轻量化制造具有重要应用价值。研究建立的"工艺-组织-性能"关联模型，也为其他异种材料连接问题的解决提供了方法论借鉴。