热处理对ZM6镁合金TIG焊后组织性能的影响

　　由于对环境保护的日趋重视以及节能减排的要求，轻量化设计在汽车、航空领域成为一种趋势[1−2]。

　　镁合金由于具有较低的密度、较好的力学性能以及铸造性能，具有替代钢铁材料甚至铝材的潜力。焊接是构件成型及修复的一种重要方法，但是镁合金焊接较易存在热裂纹、气孔、氧化物夹渣等问题。目前对镁合金焊接的研究主要集中于镁−铝−锌系列合金，包括AZ31[3−5]、AZ61[6−7]、AZ81[8]以及 AZ91[9−11]等，但对稀土镁合金的焊接研究很少。

　　ZM6是一种以加入稀土Nd作为强化元素的镁合金，具有较好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能，主要用于使用温度不高于250℃的航空部件[12]。ZM6镁合金在铸造过程中比较容易出现缩孔、缩松及夹沙等缺陷，需要进行补焊修复，因此对其进行焊接研究具有一定的理论和实际意义。本文作者采用常用的钨极氩弧焊方法对ZM6镁合金进行焊接，并对其进行焊后T6热处理，研究了热处理对其组织性能的影响。

　　1 实验

　　试验材料采用ZM6铸造镁合金，其化学成分见表1，采用线切割将其加工为200mm×60mm×3mm的板材。焊接形式为对接方式，采用V型60°坡口。背面放置铜板作为衬垫，衬垫中心开有半圆形沟槽，宽度为5mm，深度为1mm。母材两侧采用夹具夹持以防止发生焊接变形，影响力学性能测定。焊接前用丙酮清除试板表面的油污，并用钢丝刷去除氧化膜。使用直径2mm的ZM6焊丝，采用交流脉冲进行焊接，焊接气体采用99.9%的纯氩，气体流量为10mL/min，钨极直径为2.4mm，喷嘴直径为10mm。其他焊接参数如表2所列。

　　对于ZM6耐热镁合金，焊接后可通过后续的热处理来实现对其组织的控制，进而提高合金的焊缝及整体的力学性能。根据相关研究[13]，热处理工艺选定如下：固溶处理温度为540℃±1℃，保温5h，放入水中快速冷却;时效处理温度为200℃±1℃。时效时间分别为4、8、12、16和20h。

　　采用日本理学D/Max2200型X射线衍射仪对母材及焊缝进行物相分析。试样焊接及T6热处理后的硬度用 HXD−1000型维氏硬度仪测量，显微组织及断口形貌观察在FEI-SIRION热场发射扫描电子显微镜(加速电压 20.0kV)上进行。

　　2 结果与分析

　　2.1 焊接接头组织及相组成

　　ZM6镁合金的铸态显微组织如图1(a)所示。组织呈现典型的等轴晶，平均的晶粒尺寸大约为91μm。显微组织中颜色较深的为基体α-Mg，白色的部分为合金凝固过程中形成的中间相，沿着晶界和晶界交汇处，分布着大量的板条状和岛状的金属间化合物。图1(b)所示为ZM6镁合金TIG焊接的典型组织，热影响区与母材显微组织区别不大，未出现明显的长大现象，半熔化区宽度约为160μm，可以观察到焊缝组织与热影响区组织相互过渡。焊缝组织呈现细小的等轴晶组织，其平均晶粒尺寸为26μm，远小于母材组织;第二相组织在晶界处以断续的网格状存在。XRD的分析表明，焊缝金属与母材金属中间相均为Mg12Nd。根据Mg-Nd相图[14]，Nd含量在3%左右的平衡凝固组织为Mg41Nd5，而Mg12Nd为亚稳相，说明母材及焊缝组织均发生了非平衡凝固。