導讀：2000 系列鋁合金已具備在輕質結構中廣泛使用的條件，但在熔融焊接過程中出現凝固裂紋一直是一個長期存在的問題。在此，本研究創造了一種鋯（Zr）-芯-鋁（Al）-殼焊絲（ZCASW），并采用了振蕩激光-電弧混合焊接技術來控制焊接過程中的凝固，最終實現了 2024 鋁合金的可靠無裂紋焊接。本研究根據晶體學信息選擇了與鋁具有理想晶格匹配的鋯絲，并用與母材化學成分相似的鋁絲對其進行纏繞。這樣就獲得了無裂紋、等軸（晶粒的長度、寬度和高度大致相等）、細晶粒的微觀結構，從而大大提高了抗拉強度，超過了傳統熔焊接頭的抗拉強度，甚至與攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度相當。這項工作對高強度鋁合金的焊接具有重要的工程應用價值。

如今，輕質材料已成為促進能源和環境可持續發展的重要組成部分。汽車重量每增加 100 千克，每公里二氧化碳排放量就會減少 8.7 克，每百公里耗油量減少 0.4 升。因此，將輕質結構部件組裝成一個功能單元在航空航天、鐵路、汽車和造船等多個行業都具有重要意義。焊接是組裝輕質材料的重要工藝。

鋁合金是典型的輕質材料，近幾十年來得到了廣泛的應用。由于其重量輕而強度高，2xxx 系列合金經常被用于航空航天和軍事領域。鋁合金 2024（AA2024）是研究最為廣泛的材料之一。對于 AA2024 的焊接，大多數專家都傾向于采用攪拌摩擦焊（FSW）。然而，FSW 工藝往往受到結構件復雜形狀的限制，需要特殊的設置。熔化焊無疑更為靈活高效，但也有許多學者對 AA2024 的焊接進行了研究，如電弧焊、激光焊、電子束焊 和混合焊。他們強調，熔化焊的主要問題之一是凝固裂紋，這大大阻礙了熔化焊的廣泛應用。

AA2024 的溫度范圍相對較寬，因此在凝固過程中會出現液相和固相共存的寬粘稠區，在熔焊過程中通常以柱狀樹枝狀凝固。隨著凝固過程的推進，液相的比例會逐漸減少。當凝固收縮產生的拉應力超過了幾乎完全凝固的微觀結構的強度，且凝固過程中液體供給不足時，樹枝狀突起之間就會出現凝固裂紋。

為了擴大 AA2024 在航空航天和軍事應用中的潛在用途，許多人都在努力解決凝固開裂問題。填充材料的開發為抑制凝固開裂提供了有效方法。我們知道，填充材料通常與基體金屬相似，以保持其原有特性，而不會產生兼容性問題。根據這一原則，在焊接 AA2024 時應優先選擇 ER2319 填充材料（一種鋁銅焊絲）。然而，由于會出現凝固裂紋，因此不建議采用這種策略。相反，人們普遍建議使用 ER4043 或 ER4047 填充材料（二元鋁硅體系）來連接這些材料。這是因為硅元素的引入可促進形成大量的低熔點共晶，這種共晶能夠迅速填充樹枝狀晶之間的通道，并通過愈合效應固化裂紋。值得注意的是，鋁硅系統填充材料可減輕凝固裂紋，但焊點的機械性能通常不能令人滿意。例如，使用鋁硅焊絲制造的焊點的拉伸強度約為 280 兆帕8 ，而航空航天界使用的 AA2024 的強度超過 400 兆帕。因此，實現 AA2024 的高強度和無裂紋焊接仍是一個障礙。

值得注意的是，細等軸微結構通過減少約束樹枝狀突起取向和促進開裂的一致性，在粘滯區表現出卓越的應變容納能力。同時，細等軸微結構還具有良好的性能，這一點已被眾多學者所證實。然而，如何獲得精細等軸微結構一直是個首要問題。引入成核顆粒來產生相同的超細等軸晶結構是一種有效的方法。它可以擴大熱梯度-生長速度曲線的等軸區域，從而很容易幫助生成等軸微觀結構。此外，成核顆粒的出現可增加固/液界面的過冷度，降低臨界核半徑，從而有效促進凝固過程中的晶粒細化。要獲得超細等軸微結構，成核粒子必須具有與 α-Al相似的晶格參數。因此，由于 Zr、Ti 和 Sc 等常見元素與 α-Al 的晶格錯配較小，因此被選來形成 Al3X（X = Zr、Ti 或 Sc）。Al3Zr、Al3Sc 和 Al3Ti 的晶格參數分別為 4.08 ?、4.103 ? 和 3.967 ?，與 Al 的 4.049 ? 相近。與 Al3Sc 或 Al3Ti 相相比，Al3Zr 相與 α-Al 相之間較低的錯位值（0.765%）可降低析出的成核障礙。此外，由于 Al3Zr 相和α-Al 相的結構非常相似，因此這兩種相可以作為α-Al 的優良異質成核點。

在這項工作中，華中科技大學蔣平教授團隊制作了一種鋯（Zr）芯鋁（Al）殼焊絲（ZCASW），并采用振蕩激光-電弧混合焊接技術來控制焊接過程中的凝固，從而獲得了細晶粒（約 4 μm）、無裂紋的 AA2024 焊點。焊縫的極限抗拉強度達到了令人驚訝的 349 兆帕，甚至可與 FSW 焊接相媲美。這表明，在航空航天工業的結構設計中，采用 ZCASW 可以實現 AA2024 的熔化焊接。在高性能合金的應用中，強度與開裂之間的權衡仍是一個懸而未決的問題，而這種填充材料克服了這一難題。這種焊接技術為廣泛的工業應用奠定了基礎，因為它可以滿足自動化焊接對效率的要求。相關研究成果以題“High-strength and crack-free welding of 2024 aluminium alloy via Zr-core-Al-shell wire”發表在nature communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45660-x

圖1. a 焊接工藝示意圖；b ZCASW 填料的縱向和橫向示意圖及產品。c α-Al 和 L12-Al3Zr 的晶體學數據示意圖，說明晶格匹配的 Al3Zr 相如何誘導 α-Al 的低能障外延生長（OR1 代表取向關系 1，OR2 代表取向關系 2）。

圖2. a 使用 ZCASW 填充劑制作的焊縫表面形貌。b 焊縫縱向截面形貌。c 焊縫橫截面形貌。d 焊縫表面形貌和高度測量值（色條表示焊縫表面高度）。e-g 分別使用 ER2319、ER4043 和 ZCASW 填充劑制作的焊縫內部缺陷的三維重建體積（色條表示孔徑）。

圖3. a, b 使用 ER2319 和 ZCASW 填充材料制造的熔化區中的樹枝間相。c 比較從不同熔化區獲得的樹枝間相面積分數（誤差條代表標準偏差）。d EPMA 圖譜顯示使用 ZCASW 填充材料制造的熔化區中樹枝間相和鋁基體的化學構成。e TEM-EDX 觀察到的樹枝間相，顯示 STEM-HAADF 圖像。f 樹枝間相的 SAED 圖。g 主要元素（Al、Cu、Mg 和 Zr）的 EDX 圖。h α-Al 與 Mg2Cu 相界面的 HRTEM 圖像，插圖顯示 Mg2Cu 相的 FFT 圖。 

圖4. a 使用 ER2319（上）和 ZCASW（下）填料制造的熔化區樹枝狀生長過程中的模擬液體通道形態。b, c 使用 ER2319 填料和 ZCASW 填料在 882 K 下制造的熔化區的模擬溶質分布 d 沿（b）中的 AA'線和（c）中的 BB'線的溶質分布 e 使用 ZCASW（藍色）和 ER2319（橙色）填料制造的熔化區的 T-(fs)1/2 曲線和根據 PF 模擬計算的開裂敏感性指數（CSI 代表開裂敏感性指數）。