TiC-TiB2纳米陶瓷颗粒增强6061铝合金电阻点焊接头的微观组织调控与力学性能提升机制研究

为解决传统6061铝合金电阻点焊接头强度不足、裂纹敏感性高等问题，研究人员通过引入TiC-TiB2双相纳米颗粒增强铝合金焊材，系统探究了陶瓷颗粒对焊接接头微观结构与力学性能的影响。结果表明，添加陶瓷颗粒使熔核区晶粒尺寸从23.2 μm降至10.2 μm，等轴晶比例增加，残余应力显著降低，再结晶率从17.1%提升至31.6%，接头显微硬度提高3.8%，拉伸剪切强度增强19.8%，断裂模式由脆性转变为韧性。该研究为高性能铝合金点焊技术提供了新思路。

　　

在汽车轻量化与航空航天领域，6061铝合金因其优异的比强度成为关键材料，但传统电阻点焊(RSW)技术面临熔核区晶粒粗大、热影响区(HAZ)软化、裂纹敏感等瓶颈问题。尤其在高载荷工况下，接头强度不足易导致结构失效，严重制约了铝合金在关键部件的应用。如何通过材料改性突破焊接性能瓶颈，成为工程界亟待解决的难题。

为此，Yuting Lu团队在《Materials Advances》发表创新研究，首次将TiC-TiB₂双相纳米颗粒引入6061铝合金焊材体系。通过优化焊接参数（电流40 kA/时间140 ms/压力0.25 MPa），结合OM、SEM-EBSD联用分析、TEM表征及力学测试，揭示了陶瓷颗粒对焊接接头"晶粒细化-应力调控-断裂转型"的多尺度强化机制。

关键技术包括：1）中频点焊机(HBR900A)参数优化；2）电子背散射衍射(EBSD)分析晶界特征；3）透射电镜(TEM)解析第二相分布；4）显微硬度与拉伸剪切测试。

3.1 焊接参数影响

电流40 kA时获得最大熔核直径8.66 mm，剪切载荷4.55 kN。EBSD显示TiC-TiB₂使小角度晶界比例从63.7%降至24.3%，再结晶率提升85%。TEM证实纳米颗粒优先分布于晶界，有效钉扎位错运动。

3.2 微观结构演变

熔核区平均晶粒尺寸缩减56%，等轴晶比例达83.3%。HRTEM观察到Mg₂Si-TiB₂界面错配度仅6.1%，促进异质形核。KAM图谱显示残余应力降低39.4%，归因于陶瓷颗粒(CTE=8.5×10^-6/K)与基体的热膨胀系数差异。

3.3 力学性能提升

强化铝接头拉伸剪切强度达6.84 kN，较常规接头(5.71 kN)提高19.8%。断口分析显示韧窝密度增加，断裂模式从台阶状脆性断裂转变为韧窝-撕裂棱混合型。显微硬度测试表明熔核区硬度提升3.8%，归因于Orowan强化(Δσ_Orowan≈0.13Gb/d_p)与沉淀强化协同作用。

3.4 强化机制解析

通过Hall-Petch公式计算晶界强化贡献Δσ_HP=k(10.2^-1/2-23.2^-1/2)，结合热错配强化Δσ_CTE=1.25G_mb√(12ΔαΔTV_p/bd_p)，证实四重强化机制协同作用：1)晶粒细化降低应力集中；2)位错钉扎阻碍塑性变形；3)Mg₂Si弥散沉淀；4)热膨胀差诱导位错增殖。

该研究实现了三大突破：首次阐明TiC-TiB₂在铝合金RSW中的"晶界工程"作用；建立工艺-组织-性能调控模型；为汽车轻量化提供新型焊接材料解决方案。未来工作可拓展至多元陶瓷体系(如Al₂O₃-SiC)及异种金属焊接领域。