CN111660007B - 一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高强耐磨抗蚀的铝/镁异质接头及其制备方法。所述异质接头为外表面包覆Ct‑Mo复合涂层且含有Terokal 5089/Zr复合中间层的铝/镁异种合金搭接接头，位于铝合金侧的Terokal 5089胶接层厚度为0.10～0.30mm，位于镁合金侧的Zr箔厚度为0.05～0.20mm，Cr与Mo质量比为0.2‑1.5的Cr‑Mo复合涂层厚度为0.02～0.08mm。所述制备方法综合利用了搅拌摩擦焊、搅拌摩擦加工以及退火处理。经本发明所述方法制备的高性能铝/镁异质接头适用于多材料车身的制造。

Description

一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头及其制备方法。
背景技术
近年来我国汽车保有量连续快速增长，由此带来的能源短缺和环境恶化等问题严重制约着社会的可持续发展。研究表明，汽油乘用车质量每降低100kg将节油0.64L/100km；汽车质量每降低10％，可降低油耗6％-8％，排放量减少4％；若滚动阻力减少10％，燃油效率将提高3％。可见，轻量化是促进汽车节能减排的有效手段，已成为我国汽车工业持续健康发展的关键共性技术之一。
一般来说，汽车轻量化的实现途径有三个：(1)轻量化结构设计与优化；(2)轻量化材料替换；(3)轻量化工艺应用。其中，以新型轻量化材料替换传统汽车钢材是最为直接的汽车轻量化技术解决路径。铝合金和镁合金作为重要的轻质高强金属材料，提高它们在汽车中的应用比例可以显著降低车重，相应的高性能铝/镁异质接头及其制备方法对于汽车安全性至关重要，得到了国内外汽车企业的广泛关注。
需要指出的是，高性能铝/镁异质接头的制备存在很大困难，传统的熔焊工艺(氩弧焊、电阻焊、激光焊等)会在铝/镁异种合金连接界面处形成与母材物理化学性质迥异的Al-Mg金属间化合物(Al-Mg IMCs)，这些硬而脆的有害相会引发接头产生电化学腐蚀和应力变形，对接头质量产生不利影响。铝/镁异质接头的强度是影响其服役寿命的重要因素，接头内部 Al-Mg IMCs会严重降低接头强度，使其难以满足承载结构的使用要求。此外，汽车的服役环境十分苛刻，接头表面会在砂砾冲击作用下发生严重磨损，且接头常在腐蚀介质与拉伸应力的共同作用下发生应力腐蚀断裂，因此有必要开发提高轻量化铝/镁异质接头强度、耐磨性能和抗应力腐蚀性能的方法。
已有研究采用适当的中间层提高了铝/镁搅拌摩擦焊接头的强度，比如Terokal5089胶结层可提高铝/镁搅拌摩擦点焊接头的剪切强度和疲劳性能(Lap shear strengthand fatigue behavior of friction stir spot welded dissimilar magnesium-to-aluminum joints with adhesive， Materials Science&Engineering A 562(2013)53-60)；Zr中间层可改善铝/镁搅拌摩擦焊接头的腐蚀行为(Microstructure and corrosionbehavior of friction stir-welded 6061 Al/AZ31 Mg joints with a Zr interlayer，Materials 12(2019)1115-1131)。然而，对于非金属/金属复合中间层对铝/ 镁搅拌摩擦焊接头抗拉强度和腐蚀行为的研究较为少见，对于含复合中间层铝/镁搅拌摩擦焊接头表面复合涂层制备工艺、组织结构、服役性能的也未有系统研究。
发明内容
本发明针对轻量化铝/镁异质接头强度低、耐磨性差、应力腐蚀抗力小的问题，提供了一种高强、耐磨、抗蚀的铝/镁异质接头及其制备方法，所述异质接头为外表面包覆Cr-Mo复合涂层且含有胶结层/Zr箔复合中间层的铝/镁异种合金搭接接头，所述制备方法结合了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)、搅拌摩擦加工(Friction StirProcessing，FSP)以及退火处理。FSP是FSW的一种衍生技术，二者均可在搅拌摩擦焊机上完成，区别在于FSW选用带搅拌针的搅拌头，FSP选用无搅拌针的搅拌头。首先，在铝/镁异种合金搭接接头连接界面处构建Terokal 5089/Zr的非金属/金属复合中间层；随后，通过FSW制备具有夹层结构的铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头；然后，通过FSP在接头外表面制备Cr-Mo复合涂层；最后，对外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头进行退火处理。其中，Terokal 5089/Zr复合中间层具有良好的热稳定性，可以减缓铝合金和镁合金之间的剧烈反应，减少界面处Al-Mg IMCs有害相的形成；FSW相比于传统熔焊方法，具有热输入少、无需焊料、焊缝组织致密、缺陷少的优点，特别适合铝、镁等轻质金属的焊接；FSP是一种新型固相表面改性方法，以其制备的具有特定化学成分的耐磨抗蚀Cr-Mo复合涂层均匀致密，能够有效提高接头表面的耐磨性和应力腐蚀抗力；退火处理可释放Cr-Mo复合涂层的内应力及其与接头外表面之间的界面应力，并能够促进界面处元素的互扩散，提高界面结合强度。
本发明的技术方案为：
一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头，所述接头外表面包覆Cr-Mo复合涂层，接头的搭接顺序由上到下依次为铝合金、非金属/金属复合中间层、镁合金；所述铝合金为5系或6系铝合金板材的任一种；所述镁合金为AZ系或ZK系镁合金板材的任一种；所述非金属/金属复合中间层为双层结构，由不同厚度的胶接层和Zr箔构成，厚度为0.10～0.30mm的胶接层位于铝合金侧，厚度为0.05～0.20mm的Zr箔位于镁合金侧；所述Cr-Mo复合涂层由Cr和Mo的混合粉构成，厚度为0.02～0.08mm，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为600～1000目，Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5。所述接头的抗拉强度为255～295MPa，表面摩擦系数为0.42～0.48，应力腐蚀敏感指数为0.16～0.20；与未处理的铝/镁异质接头相比，抗拉强度提高了20.5％～40.5％，表面摩擦系数降低了27.3％～39.1％，应力腐蚀敏感指数降低了44.4％～56.8％。
一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，包括如下步骤：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将铝合金板和镁合金板切割成200mm×100mm×3mm的片材，对200mm×100mm待焊表面进行预处理，用水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干。
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.10～0.30mm的胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.05～0.20mm的99.5％以上纯度Zr箔，随后在Zr箔上方放置镁合金板，通过夹具固定夹紧上述搭接结构，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构。
优选地，胶结层材料为Terokal 5089，胶接层厚度为0.15～0.20mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm。
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，铝合金板位于上方，镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接；搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为3.5～5.0mm，双圆环结构的轴肩直径为8～20mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm，搅拌头转速为1500～2200rpm，焊速为120～240mm/min；搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头。
优选地，搅拌针长度为4.0～5.0mm，轴肩直径为10～15mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头转速为1700～2100rpm，焊速为150～200mm/min。
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为600～1000 目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.02～0.08mm的混合粉末；随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工；在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为6～12mm，转速为2000～2500rpm/min，移动速度为50～150mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头。
优选地，Cr粉粒度为500～700目，Mo粉粒度为700～900目，Cr粉与Mo粉质量比为0.6～1.0， Cr-Mo混合粉末厚度为0.04～0.06mm，轴肩直径为6～10mm，转速为2200～2400rpm/min，移动速度为60～100mm/min。
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为180～300℃，保温时间为20～60min，随炉冷却。
优选地，退火温度220～280℃，保温时间30～50min。
上述方法制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头，由上到下依次为铝合金、胶接层、Zr箔、镁合金，外表面包覆有Cr-Mo复合涂层。具有双层结构的非金属/金属复合中间层由胶接层和Zr箔构成，可减缓母材在连接界面处的剧烈反应而减少Al-Mg IMCs有害相的形成，从而提高接头的抗拉强度。Cr-Mo复合涂层具有两方面作用：一方面，Cr-Mo复合涂层光滑平整，可通过降低表面摩擦系数来减小磨损量，从而提高接头的耐磨性；另一方面，Cr-Mo复合涂层具有优异的抗蚀性，可密封接头连接界面的微小缝隙，从而降低接头的应力腐蚀敏感指数，提高其应力腐蚀抗力。上述制备方法综合利用了FSW、 FSP以及退火处理：FSW是一种新型固相焊接方法，可借助摩擦热实现焊材之间的塑性流动而形成机械互锁结构，较低的焊接热输入可降低接头内部Al-Mg IMCs有害相的形成，从而改善接头的微观组织结构；FSP是一种新型固相表面改性方法，其通过轴肩端面与预铺粉末的相对运动产生摩擦热和挤压力，能够制备成分可控、均匀致密、厚度一致的涂层，在接头表面实现元素合金化；退火处理是常用的去应力方法之一，可释放涂层内应力及其与接头之间的界面应力，同时可以促进元素在界面处的互扩散运动，提高涂层的界面结合强度。
本发明的有益效果为：
(1)发明人综合利用FSW、FSP和退火处理，通过一系列试验，得到了外表面包覆Cr-Mo 复合涂层铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头的最优工艺参数范围：对于复合中间层，胶接层厚度0.10～0.30mm，优选的胶结层材料为Terokal 5089，Zr箔厚度0.05～0.20mm；对于FSW，搅拌针长度为3.5～5.0mm，轴肩直径为8～20mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm，搅拌头转速为1500～2200rpm，焊速为120～240mm/min；对于FSP，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为 600～1000目，Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5，Cr-Mo混合粉末厚度为0.02～0.08mm，轴肩直径为6～12mm，转速为2000～2500rpm/min，移动速度为50～150mm/min；对于退火处理，退火温度为180～300℃，保温时间为20～60min。在此工艺参数范围，可以得到高强、耐磨、抗蚀的铝/镁异质接头。
(2)发明人在铝/镁异质接头中添加了具有双层结构的Terokal 5089/Zr非金属/金属复合中间层，并在接头外表面包覆了均匀致密、耐磨抗蚀的Cr-Mo复合涂层，有效提高了接头的强度、耐磨性和应力腐蚀抗力。与未处理的铝/镁异质接头相比，所述外表面包覆Cr-Mo复合涂层铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头的抗拉强度提高了20.5％～40.5％，表面摩擦系数降低了27.3％～39.1％，应力腐蚀敏感指数降低了44.4％～56.8％。
附图说明
图1为外表面包覆Cr-Mo复合涂层铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头的横截面结构示意图。
图2为实施例1中铝/镁异质接头处理前后搅拌区的微观组织结构。
图3为实施例1中铝/镁异质接头处理前后抗拉强度对比。
图4为实施例1中铝/镁异质接头处理前后表面摩擦系数对比。
图5为实施例1中铝/镁异质接头处理前后应力腐蚀敏感指数对比。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头及其制备方法，具体实施这种制备方法有下列步骤：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将铝合金板和镁合金板切割成200mm×100mm×3mm的片材，对待焊表面(200mm×100mm)进行预处理，依次用500#、1000#、1500#、2000#、2500#、3000#水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干。
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.10～0.30mm的Terokal 5089胶接层，优选Terokal 5089 胶接层厚度为0.15～0.20mm，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.05～0.20mm的Zr 箔(纯度为99.5％以上)，优选Zr箔厚度为0.10～0.20mm，随后在Zr箔上方放置镁合金板，通过夹具固定夹紧上述搭接结构，得到铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金搭接结构。
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，铝合金板位于上方，镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接。搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为3.5～5.0mm，优选4.0～5.0mm，双圆环结构的轴肩直径为8～20mm，优选10～15mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm，优选0.2mm，搅拌头转速为1500～2200rpm，优选1700～2100rpm，焊速为 120～240mm/min，优选150～200mm/min。搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到铝合金/Terokal5089/Zr/ 镁合金异质接头。
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为500～800目，优选500～700目，Mo粉粒度为600～1000目，优选700～900目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5的混合粉末，优选0.6～1.0，通过粘结剂在第三步得到的铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.02～0.08mm的混合粉末，优选0.04～0.06mm。随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工。在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为6～12mm，优选6～10mm，转速为2000～2500rpm/min，优选2200～2400rpm/min，移动速度为50～150mm/min，优选 60～100mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金 /Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头。
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为180～300℃，优选220～280℃，保温时间为20～60min，优选30～50min，随炉冷却。
将本发明所述方法制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头进行微观组织结构分析，发现表面涂层均匀致密，接头连接界面及内部未见明显的Al-Mg IMCs有害相，也未观察到裂纹、孔洞等焊接缺陷。
下面通过具体实施例进行详细介绍。
实施例1：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将6061铝合金板和AZ31镁合金板切割成 200mm×100mm×3mm的片材，对待焊表面(200mm×100mm)进行预处理，依次用500#、1000#、 1500#、2000#、2500#、3000#水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干。
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在6061铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.15mm的Terokal 5089胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.10mm的Zr箔(纯度为99.5％以上)，随后在Zr箔上方放置AZ31镁合金板，通过夹具固定夹紧上述搭接结构，得到6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金搭接结构。
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，6061铝合金板位于上方，AZ31镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接。搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为4.0mm，双圆环结构的轴肩直径为10mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头转速为1700rpm，焊速为150mm/min。搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到6061铝合金/Terokal5089/Zr/AZ31镁合金异质接头。
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为500目，Mo粉粒度为700目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.6的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的6061铝合金/Terokal5089/Zr/AZ31镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.04mm的混合粉末。随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工。在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为6mm，转速为2200rpm/min，移动速度为60mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金异质接头。
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为220℃，保温时间为30min，随炉冷却。
对实施例1中制得的接头试样进行组织结构分析和性能检测：
(A)接头横截面结构
附图1所示为外表面包覆Cr-Mo复合涂层铝合金/Terokal 5089/Zr/镁合金异质接头的横截面结构示意图。所述接头为夹层结构，由下而上依次为镁合金、Zr箔、Terokal5089胶结层、铝合金，外表面包覆有Cr-Mo复合涂层。
(B)接头搅拌区的微观组织结构
采用扫描电子显微镜对接头搅拌区的微观组织结构进行观察。由附图2a可见，处理前接头搅拌区存在大量涡旋状Al-Mg IMCs，它们呈暗黑色，尺寸较大；由附图2b可见，处理后接头搅拌区的微观组织结构得到明显改善，暗黑色Al-Mg IMCs数量显著减少，且尺寸得到明显减小。此外，接头搅拌区未观察到裂纹、孔洞等焊接缺陷。
(C)接头处理前后抗拉强度对比
室温下采用万能试验机对试样进行拉伸试验，测定试样的抗拉强度。由附图3可见，实施例1制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金异质接头的抗拉强度达到265MPa，与处理前的6061铝合金/AZ31镁合金异质接头(220MPa)相比，抗拉强度提高了20.5％。
(D)接头处理前后表面摩擦系数对比
在多功能摩擦磨损试验机上对试样进行划痕试验，测定试样的表面摩擦系数。一般来说，摩擦系数是两个接触面相对移动过程中物理粘附特性和擦划特性的综合反映，摩擦系数越小，表面耐磨性越好。由附图4可见，实施例1制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层6061铝合金 /Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金异质接头的表面摩擦系数为0.48，与处理前的6061铝合金/AZ31 镁合金异质接头(0.66)相比，表面摩擦系数降低了27.3％。
(E)接头处理前后应力腐蚀抗力对比
参照GB/T 15970.7-2017《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》，室温下分别在干燥空气和3.5％中性的NaCl溶液中进行慢应变速率拉伸试验，应变速率定为 1×10-6mm/s，施加轴向载荷至试样断裂为止，计算试样的应力腐蚀敏感指数。应力腐蚀敏感指数的计算公式为F＝1-A/A0，其中F为应力腐蚀敏感指数，A和A0分别为试样在腐蚀介质和空气中拉伸断裂前吸收的能量。应力腐蚀敏感指数大小反映了试样的抗应力腐蚀性能高低，一般来说，应力腐蚀敏感指数≤0.25时，试样没有明显的应力腐蚀倾向，抗应力腐蚀性能较高；应力腐蚀敏感指数介于0.25和0.35之间时，试样有一定的应力腐蚀倾向；应力腐蚀敏感指数≥0.35时，试样有明显的应力腐蚀倾向，抗应力腐蚀性能较低。由附图4可见，实施例1制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层6061铝合金/Terokal 5089/Zr/AZ31镁合金异质接头的应力腐蚀敏感指数为0.20，与处理前的6061铝合金/AZ31镁合金异质接头(0.36)相比，应力腐蚀敏感指数降低了44.4％。
实施例2：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将5052铝合金板和AM60镁合金板切割成 200mm×100mm×3mm的片材，对待焊表面(200mm×100mm)进行预处理，依次用500#、1000#、 1500#、2000#、2500#、3000#水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干。
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在5052铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.18mm的Terokal 5089胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.15mm的Zr箔(纯度为99.5％以上)，随后在Zr箔上方放置AM60镁合金板，通过夹具固定夹紧上述搭接结构，得到5052铝合金/Terokal 5089/Zr/AM60镁合金搭接结构。
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的5052铝合金/Terokal 5089/Zr/AM60镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，5052铝合金板位于上方，AM60镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接。搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为4.5mm，双圆环结构的轴肩直径为12mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头转速为1900rpm，焊速为180mm/min。搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到5052铝合金/Terokal5089/Zr/AM60镁合金异质接头。
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为600目，Mo粉粒度为800目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.8的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的5052铝合金/Terokal5089/Zr/AM60镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.05mm的混合粉末。随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工。在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为8mm，转速为2300rpm/min，移动速度为80mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的5052铝合金/Terokal 5089/Zr/AM60镁合金异质接头。
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的5052铝合金/Terokal 5089/Zr/AM60镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为250℃，保温时间为40min，随炉冷却。
经微观组织结构分析和性能检测，实施例2中外表面包覆Cr-Mo复合涂层的5052铝合金 /Terokal 5089/Zr/AM60镁合金异质接头内部未观察到Al-Mg IMCs有害相以及裂纹、孔洞等焊接缺陷。所述接头的抗拉强度为255MPa，与处理前的5052铝合金/AM60镁合金异质接头 (205MPa)相比，抗拉强度提高了24.4％；所述接头的表面摩擦系数为0.45，与处理前的5052 铝合金/AM60镁合金异质接头(0.67)相比，表面摩擦系数下降了32.8％；所述接头的应力腐蚀敏感指数为0.17，与处理前的5052铝合金/AM60镁合金异质接头(0.38)相比，应力腐蚀敏感指数下降了55.3％。
实施例3：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将6010铝合金板和ZK60镁合金板切割成200mm×100mm×3mm的片材，对待焊表面(200mm×100mm)进行预处理，依次用500#、1000#、 1500#、2000#、2500#、3000#水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干。
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在6010铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.20mm的Terokal 5089胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.20mm的Zr箔(纯度为99.5％以上)，随后在Zr箔上方放置ZK60镁合金板，通过夹具固定夹紧上述搭接结构，得到6010铝合金/Terokal 5089/Zr/ZK60镁合金搭接结构。
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的6010铝合金/Terokal 5089/Zr/ZK60镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，6010铝合金板位于上方，ZK60镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接。搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为5.0mm，双圆环结构的轴肩直径为15mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头转速为2100rpm，焊速为200mm/min。搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到6010铝合金/Terokal5089/Zr/ZK60镁合金异质接头。
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为700目，Mo粉粒度为900目，配制Cr粉与Mo粉质量比为1.0的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的6010铝合金/Terokal5089/Zr/ZK60镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.06mm的混合粉末。随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工。在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为10mm，转速为2400rpm/min，移动速度为100mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的6010 铝合金/Terokal 5089/Zr/ZK60镁合金异质接头。
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的6010铝合金/Terokal 5089/Zr/ZK60镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为280℃，保温时间为50min，随炉冷却。
经微观组织结构分析和性能检测，实施例3中外表面包覆Cr-Mo复合涂层的6010铝合金 /Terokal 5089/Zr/ZK60镁合金异质接头内部未观察到Al-Mg IMCs有害相以及裂纹、孔洞等焊接缺陷。所述接头的抗拉强度为295MPa，与处理前的6010铝合金/ZK60镁合金异质接头 (210MPa)相比，抗拉强度提高了40.5％；所述接头的表面摩擦系数为0.42，与处理前的6010 铝合金/ZK60镁合金异质接头(0.69)相比，表面摩擦系数下降了39.1％；所述接头的应力腐蚀敏感指数为0.16，与处理前的6010铝合金/ZK60镁合金异质接头(0.37)相比，应力腐蚀敏感指数降低了56.8％。
经本发明所述方法制备的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶结层/Zr/镁合金异质接头可用于多材料车身的制造。具有双层结构的胶结层/Zr复合中间层可以减缓Al与Mg之间的剧烈反应，抑制Al-Mg IMCs有害相的形成，改善接头的微观组织结构。Cr-Mo复合涂层均匀致密、光滑平整，可以有效减小接头表面摩擦系数，提高其耐磨性能；同时，Cr-Mo复合涂层能够密封接头界面处缝隙，降低接头应力腐蚀敏感指数，增强其抗应力腐蚀性能。退火处理可用于释放Cr-Mo复合涂层内应力及其与接头之间的界面应力，提高涂层与接头的界面结合强度。本发明所述制备方法有机结合了FSW、FSP和退火处理，有利于制备高强、耐磨、抗蚀的铝/镁异质接头。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (8)

1.一种高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头，其特征在于，所述接头外表面包覆Cr-Mo复合涂层，所述接头的搭接顺序由上到下依次为铝合金、非金属/金属复合中间层、镁合金；所述铝合金为5系或6系铝合金板材的任一种；所述镁合金为AZ系或ZK系镁合金板材的任一种；所述非金属/金属复合中间层为双层结构，由不同厚度的胶接层和Zr箔构成，厚度为0.10～0.30mm的胶接层位于铝合金侧，厚度为0.05～0.20mm的Zr箔位于镁合金侧；所述Cr-Mo复合涂层由Cr和Mo的混合粉构成，厚度为0.02～0.08mm，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为600～1000目，Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5；
所述高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，包括如下步骤：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将铝合金板和镁合金板切割成200mm×100mm×3mm的片材，对200mm×100mm待焊表面进行预处理，用水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干；
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.10～0.30mm的胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.05～0.20mm的99.5％以上纯度Zr箔，随后在Zr箔上方放置镁合金板，通过夹具固定夹紧上述板材，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构；
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，铝合金板位于上方，镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接；搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为3.5～5.0mm，双圆环结构的轴肩直径为8～20mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm，搅拌头转速为1500～2200rpm，焊速为120～240mm/min；搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头；
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为600～1000目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.02～0.08mm的混合粉末；随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工；在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为6～12mm，转速为2000～2500rpm/min，移动速度为50～150mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头；
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为180～300℃，保温时间为20～60min，随炉冷却。
2.如权利要求1所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头，其特征在于，所述接头的抗拉强度为255～295MPa，表面摩擦系数为0.42～0.48，应力腐蚀敏感指数为0.16～0.20。
3.一种如权利要求1所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：焊材表面预处理
为便于试验，采用线切割机将铝合金板和镁合金板切割成200mm×100mm×3mm的片材，对200mm×100mm待焊表面进行预处理，用水砂纸进行打磨，去除焊材表面氧化皮和杂质，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，冷风吹干；
第二步：构建非金属/金属复合中间层
在铝合金板待焊表面涂覆厚度为0.10～0.30mm的胶接层，待胶接层在室温下固化后在其上铺设厚度为0.05～0.20mm的99.5％以上纯度Zr箔，随后在Zr箔上方放置镁合金板，通过夹具固定夹紧上述板材，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构；
第三步：搅拌摩擦焊
将第二步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金搭接结构固定在小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，铝合金板位于上方，镁合金板位于下方，搅拌头沿板材长度方向进行多道次单面焊接；搅拌针作顺时针转动并向焊接方向前倾3°，三斜面螺纹结构的搅拌针长度为3.5～5.0mm，双圆环结构的轴肩直径为8～20mm，轴肩下压量为0.1～0.3mm，搅拌头转速为1500～2200rpm，焊速为120～240mm/min；搅拌头完成单道次焊接后沿宽度方向平移一个轴肩距离，反向进行下一道次的焊接，直至完成整个待焊表面的焊接，得到铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头；
第四步：搅拌摩擦加工
选用纯度为99.5％以上的Cr粉和Mo粉，Cr粉粒度为500～800目，Mo粉粒度为600～1000目，配制Cr粉与Mo粉质量比为0.2～1.5的混合粉末，通过粘结剂在第三步得到的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头外表面敷设厚度为0.02～0.08mm的混合粉末；随后将接头固定于小型龙门式搅拌摩擦焊机工作台上，选用无搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦加工；在搅拌头轴向施加下压力使其压紧混合粉末，光滑平面结构的轴肩直径为6～12mm，转速为2000～2500rpm/min，移动速度为50～150mm/min，移动方式与搅拌摩擦焊相同，得到外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头；
第五步：退火处理
将第四步得到的外表面包覆Cr-Mo复合涂层的铝合金/胶接层/Zr/镁合金异质接头进行退火处理，退火温度为180～300℃，保温时间为20～60min，随炉冷却。
4.如权利要求3所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，其特征在于，所述第二步中，胶结层材料为Terokal 5089，胶接层厚度为0.15～0.20mm，Zr箔厚度为0.10～0.20mm。
5.如权利要求3所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，其特征在于，所述第三步中，搅拌针长度为4.0～5.0mm，轴肩直径为10～15mm，轴肩下压量为0.2mm，搅拌头转速为1700～2100rpm，焊速为150～200mm/min。
6.如权利要求3所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，其特征在于，所述第四步中，Cr粉粒度为500～700目，Mo粉粒度为700～900目，Cr粉与Mo粉质量比为0.6～1.0，Cr-Mo混合粉末厚度为0.04～0.06mm，轴肩直径为6～10mm，转速为2200～2400rpm/min，移动速度为60～100mm/min。
7.如权利要求3所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的制备方法，其特征在于，所述第五步中，退火温度为220～280℃，保温时间为30～50min。
8.一种如权利要求1所述的高强耐磨抗蚀铝/镁异质接头的应用，其特征在于，其用于多材料车身的制造。
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