Cu46Zr46Al8非晶合金电子束焊接特性分析

0 序 言

Cu46Zr46Al8非晶合金具有大弹性应变极限、高强度、高硬度、耐腐蚀、优良的软磁性等特性，使其在航空航天、机械、通讯、运动器材等领域具有广阔的应用前景[1].目前，非晶合金主要通过铸造快冷方式制备，其最大尺寸十分有限[2]，采用焊接方法获得大尺寸非晶合金板材，可极大促进非晶合金在工程领域的应用.

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关于非晶合金的焊接，研究的焦点是焊接区的晶化问题.Kobata等人[3]采用搅拌摩擦焊焊接Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金板，发现摩擦区有10 ～ 45 nm宽的非晶带状结构，同时附近有少量纳米晶出现.Wang等人[4]在进行Zr53Cu30Ni9Al8Si0.5非晶合金的Nd:YAG激光焊接时发现热影响区更容易发生晶化.电子束焊接因具有热输入小，热影响区小，冷却速率快，真空保护等优点，使其在非晶合金焊接时更有优势[5].Kagao等人[6]发现电子束焊接Zr41-Be23 Ti14Cu12Ni10非晶合金时，焊缝及热影响区保持非晶结构，接头性能与母材接近.而Zr55Al10-Ni5Cu30非晶合金电子束焊缝和热影响区则发生晶化[7].可见，焊缝是否出现晶化现象与母材成分相关.

⑥Ingmar Porn，Action Theory and Social Science，D．Reidel Publishing Company，1977，p．77．

文中对Cu46Zr46Al8非晶合金进行了电子束焊接试验，分析了该非晶合金电子束焊接头的微观组织与力学性能.

针对具有信号灯控制的交叉口(阜石路口、晋元庄路口和苹果园南路口)，可实施协调控制(协调方案根据OD调查获得数据计算得到).

1 试验方法

试验所用材料为1.5 mm厚Cu46Zr46Al8非晶合金，通过电弧熔炼-铜模冷却法制得.在真空度5×10-2 Pa环境下进行对接试验，所用焊接工艺参数为加速电压70 kV，束流5 mA，表面聚焦，焊接速度1 000 mm/min，束流作用于板材对接缝处.

焊后沿垂直焊缝方向截取金相试样，采用OLYMPUS DSX-510金相显微镜以及Hitachi S-4700型扫描电子显微镜(SEM)观察接头微观组织，采用DX-2700射线衍射仪分析了接头相组成，采用HV-1000-DT显微硬度计对接头进行显微硬度测试，载荷10 N，加载时间10 s.采用Instron 2382万能材料试验机分析接头抗拉强度，选取三个试样进行试验取平均值.

2 试验结果及讨论

2.1 接头表面成形及横截面形貌特征

Cu46Zr46Al8非晶合金电子束焊接接头的表面成形和横截面形貌如图1所示.

图1 接头表面成形及横截面形貌
Fig.1 Surface appearance and cross section of welded joint

由图1a可知，Cu46Zr46Al8非晶合金焊接时焊缝背面由两部分组成，中心的熔化区及两侧的过冷液相区.而焊缝正面则主要由较宽的熔化区组成，无明显的过冷液相区存在.过冷液相区为非晶合金焊接时存在的特征区域，与晶体材料焊接时的热影响区不同，该区域在焊接过程中受热作用形成过冷液相，但未完全熔化进入熔池，随后冷却形成过冷液相区，最终在焊缝表面形成特征区域，与熔化区及未受影响的母材区均有明显界线存在.

从图1b可见，Cu46Zr46Al8非晶合金焊接接头横截面明显分为三个区域，中心的熔化区(fusion zone, FZ)分布于两侧的过冷液相区(supercooled liquid zone, SLZ)及母材区(base metal, BM).而在熔化区内部可以观察到球形结晶组织存在，但含量较少，此外在熔化区顶部和底部均存在一定厚度的晶化结构.

2.2 接头组织及相分析

接头不同区域的微观组织如图2所示，母材为典型的非晶组织形态，而在过冷液相区和熔化区内部的球形组织内均可观察到块状的共晶组织及大量晶界，说明在焊接过程中该区域发生晶化过程.在熔化区大部分仍保留了非晶组织形态.

为进一步研究Cu46Zr46Al8非晶合金电子束焊接头晶化现象，对接头不同区域进行了XRD分析，结果如图3所示.可见，Cu46Zr46Al8非晶合金母材为胞状衍射图样，为典型的非晶结构.而在过冷液相区，XRD衍射图样则出现明显的衍射峰，标定为二元相ZrCu，CuZr2和Cu10Zr7相，还存在低强度的AlCuZr2相衍射峰.而在熔化区，除了上述结晶相的衍射峰存在外，还可见非晶特征的胞状衍射缝，说明该区域晶化相与非晶结构共存，这与微观组织分析结果相分析结果相对应.

图2 接头不同区域微观组织形貌
Fig.2 Macrostructure of various zones of the welded join

图3 焊接接头XRD衍射图样
Fig.3 XRD pattem of the welded joint

在焊接过程中，熔化区内材料升温及降温速度最快，熔液在过冷至熔点以下时不能及时发生相变，而是一直保持到玻璃转变温度(Tg)附近，从而保持非晶态组织.因母材中杂质的存在，发生非均匀形核，形成部分晶化区域[8].而过冷液相区是非晶合金受热时的一种亚稳态结构，在冷速较慢时，形成过冷液相并发生晶化转变[9].

Cu46Zr46Al8非晶合金中Al元素的添加是为了增大Cu-Zr-Al三元系过冷液相区的稳定性，在晶化过程中，重点研究Cu-Zr二元合金体系冶金反应.结合Cu-Zr二元相图(图4)可以推测，在结晶过程中先生成的晶体相主要是ZrCu相.697 ℃时，ZrCu相会发生共析反应：ZrCu→Cu10Zr7+CuZr2，分解为CuZr2和Cul0Zr7金属间化合物.

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图4 Cu-Zr二元合金相图
Fig.4 Cu-Zr binary phase diagram

2.3 力学性能分析

图5 为接头显微硬度分布曲线，测量点如图1中虚线所示.母材区与熔化区内非晶组织硬度值最高，约为530 HV左右.而在过冷液相区及熔化区内的晶化组织硬度值显著降低，并在靠近熔化区位置降至最低，约420 HV.可见，非晶态组织硬度明显高于结晶相.

图5 接头横截面维氏硬度分布
Fig.5 Vickers hardness distribution in cross section

对接头的抗拉强度进行了测量，平均值为1 169 MPa，只有母材的65%，说明Cu46Zr46Al8非晶合金经焊接后接头拉伸性能有明显降低.图6为母材与焊接接头拉伸应力-应变拉伸曲线.可以看出Cu46Zr46Al8非晶合金拉伸时出现一定的屈服，而焊接接头则在弹性变形阶段发生断裂，韧性相比母材也显著下降.

图6 应力-应变拉伸曲线
Fig.6 Tensile stress-strain curves

从图6的拉伸断裂位置可见，Cu46Zr46Al8非晶合金焊接接头拉伸断裂于过冷液相区，虽然该区域硬度与母材相比降低，但由于该区域非晶材料晶化转变为多种连续分布的脆性Cu-Zr金属间化合物，导致性能降低.

母材与接头拉伸断口形貌如图7所示.可以看出母材拉伸断口断裂面存在扇形花样的，为解理断裂模式.而焊接接头断口则呈现明显的沿晶脆断特征.

图7 拉伸试样口断口微观形貌
Fig.7 Fracture surface of tensile samples

3 结 论

(1) Cu46Zr46Al8非晶合金电子束焊接头成形良好，无缺陷形成.接头横截面可分为熔化区、过冷液相区及母材区，其中过冷液相区在焊缝表面与熔化区及母材区均有明显几何界限.

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(2) 焊缝区组织大部仍为非晶态，过冷液相区内发生晶化转变，生成多种Cu-Zr化合物.主要为ZrCu相，部分经共析转变为CuZr2和Cu10Zr7金属间化合物，同时有少量AlCuZr2化合物存在.

(3) Cu46Zr46Al8非晶合金电子束焊接头抗拉强度达到母材的65%，拉伸断裂于发生晶化转变的过冷液相区，该区域硬度值最低，但由于连续分布的脆性化合物存在，接头断口呈现典型沿晶脆性断口形貌.

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