温度和焊接热输入对2219铝合金摩擦搅拌焊中异常晶粒生长的影响

《Materials Reports: Energy》：Effects of temperature and welding heat input on abnormal grain growth in friction-stir welds of 2219 aluminum alloy

　　研究不同焊接参数和热处理温度下2219铝合金摩擦搅拌焊接头异常晶粒生长（AGG）行为，结合准原位EBSD、背散射电子显微镜（BSE）及细胞自动机（CA）模拟，揭示了温度升高和热输入降低促进AGG的机理，发现初始晶粒尺寸、应变能分布及第二相粒子溶解对AGG动力学有显著影响，并通过三维参数空间分析验证了Zener钉扎和应变能差异的核心作用。

　　
该研究聚焦于2219铝合金摩擦搅拌焊（FSW）焊缝在后续热处理（PWHT）过程中异常晶粒生长（AGG）的机制与调控策略。通过结合准原位EBSD表征、改进的Humphreys模型及细胞自动机（CA）模拟，揭示了温度与焊接热输入对AGG行为的多维度影响，并建立了关键调控参数间的理论关联。

**1. 研究背景与问题提出**
铝合金焊接接头在PWHT过程中易出现异常晶粒生长，导致力学性能劣化。尽管现有理论（如Humphreys模型）从晶界迁移角度解释了AGG的发生，但未充分考虑焊接工艺参数（如旋转速度）对热历史和晶界迁移动力学的综合影响。此外，传统模型忽略局部应变能分布与第二相粒子动态钉扎作用的耦合效应，难以解释实验中观测到的异常晶粒选择性生长现象。

**2. 实验设计与关键发现**
*材料与工艺*：采用5mm厚2219铝合金板材，通过三种焊接转速（800/1200/1600rpm）制备焊缝，定量热输入通过HI=ω2/(v×10?)计算，其中ω为转速，v为 traverse速度（固定200mm/min）。热处理温度覆盖708-808K，时间范围0-600秒。
*核心结果*：
- **温度依赖性**：在733K时，低热输入（800rpm）焊缝出现显著异常晶粒生长，最大晶粒尺寸达326μm；而高热输入（1600rpm）焊缝需升温至783K才能触发AGG，表明临界温度随热输入增加而升高。
- **热输入效应**：高转速（1600rpm）焊接形成的焊缝初始晶粒尺寸更大（9.4μm vs. 5.9μm），且在808K时异常晶粒数量减少但单晶尺寸增至690μm，说明晶界迁移动力与晶粒尺寸竞争机制并存。
- **微观结构异质性**：准原位EBSD显示，异常晶粒区位的几何必需位错密度（GND）显著低于周围正常晶粒（约低15%-20%），且Zener钉扎压力较弱（低20%-30%），表明低应变能区域与弱钉扎环境共同驱动异常晶粒生长。

**3. 理论模型与验证**
*改进Humphreys模型*：引入局部应变能差异与钉扎压力动态变化的耦合关系，构建三维参数空间（晶粒尺寸比、应变能差、钉扎压力比）。实验数据显示，当温度升至808K时，钉扎压力下降速率加快（因第二相粒子溶解），导致更多晶粒进入异常生长区域，晶粒尺寸增幅达51%（从733K的326μm增至808K的278μm）。
*CA模型构建*：基于实验数据初始化模型参数（初始晶粒尺寸5.8±1.8μm，第二相粒子平均直径0.5μm），模拟显示：
- 低温（733K）时，异常晶粒仅在高应变能区域局部生长，形成孤立大晶粒；
- 高温（808K）下，钉扎压力快速衰减促使异常晶粒数量激增（从800rpm焊缝的3个增至1600rpm焊缝的7个），晶界迁移速度提高2-3倍。
- 初始晶粒尺寸增大（从4.1μm增至8.2μm）会抑制异常晶粒数量（减少30%-40%），但单个晶粒尺寸可突破1000μm，证实晶粒尺寸分布与竞争机制的动态平衡。

**4. 机制解析与工业启示**
*关键驱动因素*：
1. **钉扎压力梯度**：第二相粒子（Al?Cu）在温度高于750K时快速溶解，导致局部钉扎强度下降，形成晶界迁移的“势垒缺口”。
2. **应变能差异**：FSW过程中高应变能区域（如搅拌区顶部和焊根）的晶界迁移驱动力显著高于低应变能区域，与EBSD测得的GND密度梯度一致。
3. **晶粒尺寸竞争**：初始晶粒尺寸越大，晶界迁移所需驱动力越高，但异常晶粒间的竞争效应可延缓整体粗化（如1600rpm焊缝在808K时异常晶粒生长时间缩短至129秒，较800rpm焊缝快60%）。

*调控策略*：
- **温度控制**：将热处理温度控制在733K以下可有效抑制钉扎压力衰减，减少异常晶粒形成（实验显示733K时异常晶粒占比仅5%，而808K时达35%）。
- **热输入优化**：通过降低焊接转速（如从1600rpm降至800rpm），可提高初始晶界迁移驱动力（应变能差增加18%），同时减少钉扎压力波动幅度（标准差从12%降至7%），从而抑制异常晶粒尺寸超过300μm的概率。
- **工艺协同**：结合快速升温和短时等温处理（如先以5℃/min升温至808K后立即淬火），可减少异常晶粒形成时间窗口达70%，显著提升焊缝致密度。

**5. 研究局限与展望**
*模型局限性*：CA模拟采用二维离散网格（0.4μm胞格），未完全考虑三维晶界曲率对迁移动力的影响，且未量化粒界迁移速率的空间异质性。未来可引入动态三维重构算法以提升精度。
*拓展方向*：
- 研究时效析出（如Al?Cu在808K的二次生长）对钉扎压力的动态补偿效应；
- 探索Zr微合金化对第二相粒子稳定性的影响（参考Al-Mg-Si体系中Zr的钉扎效应）；
- 开发原位TEM-EBS?联用技术，实时观测晶界迁移轨迹与位错重组过程。

**结论**
该研究系统揭示了焊接热输入与处理温度对AGG行为的协同调控机制：高热输入通过增大初始晶粒尺寸和降低应变能差异，推迟异常晶粒启动时间但加速其最终粗化；而温度升高（>733K）通过促进钉扎粒子溶解，扩大异常晶粒生长窗口。结合CA模型与原位EBSD，证实局部钉扎压力梯度与应变能分布不均共同构成AGG的触发条件，为制定“低温短时”热处理规范提供了理论依据，对航空铝合金焊接接头质量控制具有重要指导价值。