TiC-TiB2双相纳米颗粒增强6061铝合金电阻点焊接头的微观结构调控与性能强化机制研究

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双相纳米颗粒增强焊接材料，系统探究了焊接参数对微观结构和力学性能的影响。结果表明，纳米颗粒使熔核区平均晶粒尺寸减小56.03%，等轴晶比例提升，残余应力显著降低，接头抗剪强度提高19.8%，断裂模式由脆性转变为韧性。该研究为轻量化材料的高性能连接提供了新策略。

　　

在汽车轻量化和航空航天领域，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(Resistance Spot Welding, RSW)接头存在晶粒粗大、热影响区(Heat Affected Zone, HAZ)软化等问题，导致强度不足和裂纹敏感性高。更棘手的是，焊接过程中快速凝固形成的柱状晶和孔隙缺陷会进一步恶化力学性能。如何通过材料设计和工艺优化实现高性能连接，成为制约轻量化技术发展的瓶颈。

针对这一挑战，Yuting Lu团队创新性地将TiC-TiB₂双相纳米颗粒引入6061铝合金焊接体系。这些尺寸仅约0.25纳米的陶瓷颗粒具有超高硬度和热稳定性，其与铝基体的晶格错配度低至1.9%-6.1%，有望成为理想的异质形核位点。研究人员通过调控焊接电流(32-42kA)、时间(100-180ms)和电极压力(0-0.4MPa)等参数，系统探究了纳米颗粒对微观结构演变和力学性能的影响机制。

研究采用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等多尺度表征技术，结合显微硬度测试和拉伸剪切实验。关键发现包括：在40kA电流、140ms时间和0.25MPa压力下，纳米颗粒增强接头的熔核区平均晶粒尺寸从23.2μm降至10.2μm，等轴晶比例显著增加；高角度晶界比例提升39.4%，残余应力降低；再结晶分数从17.1%增至31.6%。这些微观结构优化使接头显微硬度提高3.8%，抗剪强度提升19.8%。

3.1.1 焊接电流影响

研究发现电流升至40kA时熔核直径达最大值8.66mm，但继续增至42kA会导致烧穿缺陷。这表明纳米颗粒虽能改善润湿性，仍需精确控制热输入。

3.1.4 SEM与EDS分析

能谱面扫显示纳米颗粒促进Mg₂Si强化相均匀析出，其在晶界处形成连续网络，有效阻碍位错运动。

3.1.5 EBSD研究

取向成像证实纳米颗粒使柱状晶区宽度减小，熔核区等轴晶占比达83.3%。KAM图显示残余应力显著降低，这与陶瓷颗粒(CTE=8.6×10^-6/K)限制铝基体(CTE=23.6×10^-6/K)热变形有关。

3.1.6 TEM分析

高分辨像显示TiB₂和TiC颗粒主要分布于晶界，通过钉扎效应抑制晶界迁移。值得注意的是，纳米颗粒还促进Mg₂Si相纳米化，其尺寸减小使裂纹扩展路径更曲折。

3.2.1 断口分析

普通接头呈现平坦的沿晶断裂形貌，而纳米颗粒增强接头出现大量韧窝， dimple密度增加表明塑性变形能力提升。

3.3 强化机制

研究揭示了四重协同作用：(1)晶粒细化(Hall-Petch效应)；(2)位错强化(Orowan绕过机制)；(3)Mg₂Si沉淀强化；(4)热膨胀系数差异(CTE mismatch)诱导的位错增殖。计算表明晶粒细化贡献约60%强度提升。

这项发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》的研究，不仅为铝合金点焊工艺提供了可量化的优化参数，更通过多尺度结构调控策略，实现了"纳米颗粒-基体-界面"的协同强化。其创新点在于利用TiC-TiB₂双相颗粒的协同效应，同时解决晶粒粗大和析出相分布不均两大难题，为发展高强韧轻量化连接技术奠定了理论基础。未来可进一步探索颗粒尺寸效应对异质形核率的影响，以及多组分纳米颗粒体系的协同优化。