碩 士 論 文 中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

含微量鋯或釩之 A201 鋁合金銲條對 A201 鋁 合金的銲補性及機械性質之影響

The Weldability and Mechanical Properties of Welded A201 Cast Alloys with a Filler of A201 Cast Alloys Containing Minor Zr or V as

Filler Metal

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E10008001 林 進 貴 指導教授：吳 泓 瑜 博 士

中華民國 102 年 7 月

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摘 要

本研究主要目的在探討含Zr(0.1wt%)或V(0.1wt%)之A201鑄造用鋁合金銲條，對 A201鑄造用鋁合金的銲補性及常溫、高溫機械性質之影響。結果顯示含Zr(0.1wt%) 或V(0.1wt%)之A201鑄造用鋁合金銲料，於凝固時便晶出Al3(Ti,Zr)相或Al3(Ti,V)相，

使晶粒細化。

此外，以含Zr(0.1wt%)或V(0.1wt%)之A201鑄造用鋁合金銲料，於母材A201鑄造 用鋁合金鑄件上實施TIG銲補後之銲件，其銲道組織皆為等軸細小晶粒，且無熱裂發 生；兩種銲件經時效熱處理後之常溫(25℃)抗拉強度分別為母材A201鑄造用鋁合金之 90%和88%；高溫(230℃)抗拉強度分別為母材A201鑄造用鋁合金之89%和86%。

關鍵詞：A201鑄造用鋁合金；晶粒細化；Al3(Ti,Zr) 或Al3(Ti,V)晶出相；銲補。

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Abstract

The study of the purpose of fusion weldability and mechanical properties of the room temperature and high temperature of A201 alloy casting with A201 alloy casting contain Zr (0.1wt%) or V(0.1wt%) as metal filler metal. Addition of Zr(0.1wt%) or V(0.1wt%) to A201 alloy casting (Al-Cu-Mg-Ag alloys) produces grain refinement due to the formation of primary Al3(Ti,Zr) or Al3(Ti,V) intermetallics phase during solidification.

Further, A201 alloy casting was welded by TIG process with A201 filler containing Zr(0.1wt%) or V(0.1wt%).After welding ,the grain of fusion zone is fine equiaxed dendritic structure and has no hot cracking.The ultimate strength at room temperature of welding bar that has been T7 is 90％及88％of A201 alloy respectively. The ultimate strength at high temperature (230℃) of welding bar that has been T7 is 89％ and 86％ of A201 alloy respectively.

Keywords: A201 casting alloy ；grain refinement；Al3(Ti,Zr) or Al3(Ti,V) (intermetallic phase) ；welding.

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誌 謝 辭

結合中山科學研究院(中科院)及中華大學兩大研究單位的資源、設備及人才，使 本研究得以開花結果。感謝中山科學研究院材料暨光電研究所上校副所長薄慧雲博 士、材料暨光電研究所冶金組組長倪國裕博士、副組長魏肇男博士、小組長鮑道文先 生及洪炎輝博士對本實驗的支持、鼓勵與指導，感謝中山科學研究院材料暨光電研究 所冶金組銲補實驗室林文昌領班及姜禮華師傅於氬銲(TIG) 銲補的幫助(寶貴的技術 及經驗)，感謝中山科學研究院材料暨光電研究所材料加工及測試組長官徐章銓博 士、翁仁斌學長、陳嘉榮、陳錦國、線成光、李隆忠、林美玲等學有專精的多位師傅，

於材料加工及測試方面，非常優秀、專業、熱心的協助和指導，更感謝指導老師中華 大學機械系吳泓瑜教授非常專業的指導，使本實驗一切進行非常順利成功，於 A201 鑄造用鋁合金銲補方面開花結果，在此深表極高謝意；並承蒙中央大學教授李雄博 士、東華大學教授王建義博士、工業技術研究院工業材料研究所邱垂泓博士於論文口 試中認真、細心、專業指正並提供寶貴意見，在此致上最誠摯的謝意。更感謝太太細 心照顧小孩、操持家務，無怨無悔，使我無後顧之憂，在此謹獻上我最真誠的感謝及 敬意。

最後，謹將本論文獻給所有曾經鼓勵我、幫助我的家人、朋友與中華大學機械系 吳泓瑜教授及中山科學研究院的長官、同事，並致上我最誠摯的祝福。

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目 錄

中文摘要………...i

英文摘要...ii

誌謝辭….………...iii

目錄……….……….iv

表目錄...vii

圖目錄………….………...viii

第一章 前言...1

1-1 高強度鑄造用鋁合金近二十年在國防工業之應用……...1

1-2 A201 高強度鑄造用鋁合金之文獻回顧…….………...2

1-3 A201 鑄造用鋁合金之銲補性……….……….5

1-4 微量過渡元素（Sc、Zr 等）對銲接及其他特性之效用…………7

1-5 研究動機……….……….10

1-6 銲料合金設計……….…………...11

第二章 實驗步驟與方法……….………...12

2-1 合金配製………...12

2-2 銲條製程……….……….12

2-3 A201 鑄造用鋁合金鑄件之銲補……….…………...13

2-4 銲補鑄件之螢光檢驗……….………13

2-5 熱處理……….………13

v

2-6 微結構分析………...………...14

1.光學顯微鏡(OM)之金相觀察………..……….14

2.掃描式電子顯微鏡(SEM)分析………..………...14

3.X 光能量分佈(EDX)分析………...14

2-7 常溫、高溫機械性質分析………14

2-8 硬度試驗………...……….15

2-9 拉伸試驗………...……….16

第三章 結果與討論………..………...17

3-1 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲料合金(A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％ V)之性質分析 (未經氬銲機銲 補)………...17

1.鑄態金相觀察...17

2.晶粒大小觀察………...18

3.EDX 分析………..………...19

3-2 A201 鑄造用鋁合金及兩種銲料之性質分析…………...20

1.機械性質分析……….………...20

2.拉伸試驗後，拉伸試棒的破斷面 SEM 觀察………20

3-3 A201 鑄造用鋁合金之 TIG 銲補實驗………...22

1.銲條製作……….……….22

vi

2.銲條金相(OM)觀察……….………22

3-4 經氬銲機 TIG (Tungsten inert gas )銲補後之性質分析…..……..24

1.螢光檢驗……….………….24

2.微結構分析(金相觀察)……….…...24

3-5 兩種銲件銲補後之常溫(25℃)機械性質分析………….…...26

3-6 兩種銲件銲補後之高溫(230℃)機械性質分析……...27

第四章 結論……….………52

參考文獻……….………53

vii

表 目 錄

表 1.1 ASM 規範 A206 與 A201 鑄造用鋁合金成份範圍…………...28 表 1.2 Al-Cu-Mg-(Ag)合金析出相隨 Cu／Mg 比改變………...28 表 2.1 實驗配置之銲料與 A201 合金母材成分表（wt.％）………29 表 3.1 A201 鋁合金與含 Zr(0.1wt％)，含 V(0.1wt％)之銲料合金經 T7 時

效熱處理後之機械性質……….29 表 3.2 為母材 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲件，經 T7 時效熱處理後之常 溫拉伸性質……….………29 表 3.3 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲件，經 T7 時效熱處理後之高溫(230

℃)拉伸性質……….………...30

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圖 目 錄

圖 1.1 戰鬥機……….………...31

圖 1.2 天弓飛彈……….……...31

圖 1.3 Al-Sc 部分二元相圖...32

圖 1.4 純鋁中過渡元素含量對再結晶溫度之比較………32

圖 1.5 Al-Cu-Sc 於 (a)450℃ (b)500℃ 的三元相圖………33

圖 2.1 實驗流程圖………34

圖 2.2 型鍛機………35

圖 2.3 銲條………35

圖 2.4 氬銲機………36

圖 2.5 銲補鑄件之銲道位置示意圖銲補前)………...36

圖 2.6 施銲完成之銲補鑄件示意圖(銲補後)………...37

圖 2.7 銲補鑄件之銲道位置示意圖(銲補前)………...………37

圖 2.8 施銲完成之銲補鑄件示意圖(銲補後)………...39

圖 2.9 銲補完成之試塊示意圖………39

圖 2.10 銲補試棒加工製程示意圖………...39

圖 3.1 (a)為母材 A201 鋁合金與(b)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及(c)

為 A201 鋁 合 金 添 加 0.1wt ％ V 之 鑄 態 金 相 圖 （ HF

etch）………..39

ix

圖 3.2 (a)為母材 A201 鋁合金與(b)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及(c)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之鑄態金相圖（晶粒大

小） ………...40

圖 3.3 A201 鑄造用鋁合金之 SEM(鑄態)………...42

圖 3.4 為圖 3.3 中之箭號 4，5 的 EDX 分析……….43

圖 3.5 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1％Zr(Zirconium)鑄態之 SEM…..44

圖 3.6 為圖 3.5 中之箭號 6 的 EDX 分析………..45

圖 3.7 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1Wt％V 之 SEM (鑄態)……...46

圖 3.8 為圖 3.7 中之箭號 9 的 EDX 分析……….46

圖 3.9 為圖 3.7 中之箭號 10 的 EDX 分析………...47

圖 3.10 分別為(a)母材 A201 鋁合金與(b) A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 (c)A201 鋁合金添加 0.1wt％V 等 3 種合金，經 T7 時效熱處理 後拉伸破斷面之 SEM 形態……….……….47

圖 3.11 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％Zr(鋯)之銲條金相………..49

圖 3.12 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％V(釩)之銲條金相…...49

圖 3.13 氬銲機 TIG (Tungsten inert gas ) 銲補示意圖……...50

圖 3.14 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 當銲條，TIG 銲補後熱影響

區及銲道鑄態金相圖………...50

圖 3.15 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲條，TIG 銲補後熱影響區

x

及銲道鑄態金相圖……….51

圖 3.16 銲件之母材與銲道交界之鑄態金相圖（0.5﹪HF etch），左方為

母材熱影響區部分，右方為銲道組織………..51

1

第一章 前言

1-1 高強度鑄造用鋁合金近二十年在國防工業之應用

國內研發三彈（天弓飛彈、雄風飛彈、天劍飛彈） 、一機（經國號戰機）以來，

飛彈外殼之用材以高強度鑄造鋁合金為主。美伊戰爭期間，愛國者飛彈成功攔截伊拉 克之飛彈，引起全世界的矚目，各國紛向美國洽購愛國者飛彈；而愛國者飛彈外殼使 用的材料大部分是 A201 鑄造用鋁合金，A201 鑄造用鋁合金近年來已大量應用在國 防工業上，如圖 1.1 及圖 1.2 所示，亦使用於諸多航太零組件用材。

近代之飛彈要求速度快、射程遠、精準度高，飛彈材料的要求不僅要高的常溫機 械性質，更要有高的耐高溫（230℃）之機械性質。高強度鑄造用鋁合金由早期的 A356、A357 鑄造用鋁合金演進到 A206、A201 鑄造用鋁合金。目前 A357 及 A201 使用量較大，A201 合金在所有商用鑄造鋁合金中具有最高的機械強度（T6 可達 485 MPa）及良好的高溫抗潛變性質（200℃以下）。

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1-2 A201 高強度鑄造用鋁合金之文獻回顧

鋁合金具有質量輕、比重低、強度高、加工易、耐蝕性佳等優點，現已廣泛用 於 需 高 強 度 ／ 重 量 比 的 汽 車 及 航 空 工 業 上⁽¹⁾。 可 熱 處 理 型 鑄 造 A201 合 金

（Al-Cu-Mg-Ag）於 1969 年由 J. Raffin⁽²⁾研發取得美國專利權，在所有鑄造鋁合金中，

具有最高的機械強度（T6 可達 485 MPa⁽³⁾）及良好的高溫抗潛變性質（200℃以下⁽⁴⁾）， 因此常被用於航太結構和軍事武器方面，例如飛機結構用材、反飛彈武器系統之飛彈 外殼等⁽⁵⁾。

A201 合金含有價格昂貴的銀，範圍約在 0.4～1.0 wt.％。如將銀去除，則為 A206 合金，並於 1976 年獲得美國專利。A206 合金除銀元素以外，其餘成分皆與 A201 相 同，雖然強度上略為降低，但卻能有效節省成本。根據美國材料學會（American Society Material）規範，兩者合金之成分表如表 1.1 所示。

A201 合金是藉由熱處理（固溶→淬火→時效）而達到析出強化的鋁合金，主要 析出強化相為θ’相⁽⁶⁾及Ω 相^(7,8)，兩者組成皆為 CuAl₂。前者為正方體（tetragonal）結 構（a=b=0.404nm、c=0.580nm），呈矩形或八角形盤狀半整合於｛100｝_α鋁基地。後 者經由 Knowles ＆ Stobbs⁽⁹⁾發現並確認為斜方體（orthorhombic）結構（a=0.496nm、

b=0.859nm、c=0.848nm），呈六角形整合析出於｛111｝_α鋁基地。由於｛111｝_α面為 鋁主要滑動面，因此 Ω 相可阻擋差排移動而達到較佳的強化效果。另外，Ω 相需進 行高溫長時間時效才會轉變為θ 平衡相，故有良好的高溫熱穩定性^(11-13)。θ’與 Ω 相之 時效析出已廣泛被研究探討，順序如下：

θ 相析出順序^(14-16)：

過飽和固溶體→聚集（cluster）→GPⅠ→

GPⅡ(θ”相)→θ’相→θ 相

Ω 相析出順序^(15,16)： 過飽和固溶體→Ω 相→θ 相

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Grag et al.⁽¹⁷⁾發現有少量的Ω 相存於 Al-Cu-Mg 合金中，而添加 Ag 可以促進 Ω 相於較低溫度下析出。Taylor et al.⁽¹⁸⁾認為 Mg、Ag 易聚集於｛111｝_α面上而形成 Mg₃Ag

粒子，使 Ω 相異質成核。Hono et al.⁽¹⁹⁾在 185℃時效 15sec 後發現 Mg-Ag 聚集

（co-clusters），並在 180℃時效 30sec 後發現細微 Ω 相，推測此為 Ω 相之成核點。

Ringer et al.⁽²⁰⁾研究發現 Al-Cu-Mg 合金在固溶處理後會由於淬火時空孔崩塌

（vacancies collapse）導致明顯產生高密度差排環（dislocation loop），而成為 θ’相異 質成核點，但在 Al-Cu-Mg-Ag 合金中發現僅有少量的差排環產生，因此推論 Ag 有牽 制空孔作用，在淬火時會促進固溶原子與空孔（Solute- Vacancy）之交互作用，阻止 空孔聚集，抑制差排環產生，故抑制 θ’相之析出；另外，Al-Cu-Mg 合金於 180℃時 效 30sec 後，發現有 Cu-Mg 聚集與 Mg 聚集產生，而在 Al-Cu-Mg-Ag 合金中明顯發 現有大量的 Mg-Ag 聚集，因而歸納出 Mg-Ag 聚集與 Mg 聚集會形成 Ω 相，且 Mg-Ag 聚集吸引力大於 Cu-Mg 聚集並大於 Mg 聚集，因此在 Al-Cu-Mg-Ag 合金中，容易產 生Ω 相異質成核析出，Al-Cu-Mg 合金中卻因為 Cu-Mg 聚集較多，使得 Mg 聚集變少，

故Ω 相析出較少，大部分為 θ’相析出。Polmear and Couper⁽¹²⁾也指出添加 Ag 可以促 進 Al-Cu-Mg 合金析出 Ω 相，提升高溫機械性質。

Reich et al.⁽²¹⁾利用 Three-Dimensional Atom Probe（3DAP）觀察 Al-Cu-Mg-Ag 合 金發現，在時效初期時，Mg-Ag 先於｛111｝_α面上聚集，之後 Cu 原子會擴散至 Mg-Ag 聚集中而形成Ω 相析出。隨著時效時間的增加，Ω 相會成長，Mg、Ag 原子亦開始由 Ω 相中心擴散至 Ω／α 界面；之後 Ω 相開始粗化，而其中心部分幾乎轉變成平衡相 CuAl₂。

Al-Cu-Mg-Ag 合金中增加 Mg 含量，有益室溫下的拉伸性質及破壞韌性，但對高 溫機械性質有害，這主要是因為其析出相型態亦隨著 Cu／Mg 重量比的不同而改變。

Chester ＆ Polmear⁽⁸⁾於不同 Cu/Mg 比下，利用 TEM 觀察析出相（表 1.2），發現當

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Cu／Mg 比低時（～5），Al-Cu-Mg-Ag 合金析出相主要為 Ω 相及 S 相（Al₂CuMg）； 當 Cu／Mg 比高時（＞10），析出相則以Ω 與 θ’相為主。而 Cu／Mg 比在 5～10 之間 時，主要析出強化相為Ω 相。另外，Beffort et al.⁽²²⁾發現，在高溫時（＞150℃），Cu

／Mg 比低者易使 Ω、θ’相消耗而形成 S 相；Cu／Mg 比高者，於高溫（＞180℃）長 時間時效後，θ’相會逐漸消失而轉變成 T 相（Al₆CuMg₄），不過Ω 相卻不受影響。

由於實施尖峰時效熱處理（T6）會使 A201 合金產生具有陽極性之無析出帶

（ Precipitate Free Zone ）， 並 與 陰 極 性 之 鋁 基 地 有 一 電 位 差 而 產 生 伽 凡 尼 腐 蝕

（Galvanic Corrosion），發生陽極溶解（Anodic Dissolution）現象，加以應力便會沿 晶界產生應力腐蝕破裂（SCC）^(23-25)，因此以過時效熱處理（T7）來取代之，加強抗 應力腐蝕性。依據航空材料規範（AMS，Aerospace Material Specification）用於 A201 合金永久模鑄件之 T7 熱處理程序為⁽²⁶⁾

T7：固溶升溫至 510±5℃，持溫 2±0.25 小時後，再升溫至 530±5℃，持溫至少 8 小時，

爾後於室溫 25℃水淬，實施 185±5℃之人工時效 5±0.25 小時。

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1-3 A201 鑄造用鋁合金之銲補性

A201 鑄造用鋁合金為可熱處理型合金具有較寬之固、液兩相區（123～127℃）

(3)，極易於鑄件中形成氣孔（Porosity）、縮孔及鑄件各處不等的冷卻速度所造成的縮 裂 ⁽²⁷⁾等缺陷，致使鑄件在銲補時，極易發生銲補熱裂^(28-30)的問題；且通常在銲補施 工時，因為是局部加熱，所以殘留應力和應變變形是同時發生。銲補施工後所產生的 殘留應力會造成銲件冷裂(氫裂)、熱裂、應力腐蝕、脆性破裂之危害，銲件於銲補施 工前，應防止熱量集中或採用預熱，使應力平均分佈。銲後殘留應力消除方法有機械 應力消除法及加熱應力消除法兩種。

銲接熱裂是鋁銅合金中極嚴重之缺陷，主要分為兩類：（1）銲道凝固熱裂

（Solidification Cracking）^(29,30,32) ，（2）熱影響區液化熱裂（HAZ Liquation Cracking）

(30,33-36)

，兩者皆因為晶界上之 CuAl₂共晶液態薄膜（Liquid Film）無法承受凝固時所 產生的收縮應力，而導致裂縫形成，極易發生沿晶破裂（Intergranular Cracking）現 象。不同的是，凝固熱裂發生於銲道快完全凝固時，溶質元素的擴散及再分佈造成偏 析而形成低熔點之 CuAl₂共晶液態薄膜，由於液態薄膜無法承受 α-Al 凝固時所產生 之收縮應力，因此導致裂縫形成，進而發生沿晶破裂現象，同於鑄造時發生之組織熱 裂；液化熱裂則是在銲接時，母材的部分熔化區（Partial Melted Zone）內因高溫使得 晶界上低熔點之 CuAl₂ 共晶相熔解液化，形成液態薄膜，之後凝固時便極易產生裂 縫，並沿著晶界發生破裂。

成分的添加會使鋁合金固、液兩相區增寬，增加了凝固溫度範圍，降低共晶溫度，

而不利於銲接性。Pumphrey^(37,38)研究發現，含高 Cu 及高 Mg 的鋁合金，如 2024、2014、

2091、7075，裂縫敏感性強，銲接性不佳；僅含高 Cu 或高 Mg 的鋁合金，如 2219 及 5083，銲接性較佳。而 A201 鑄造用鋁合金合（Al-4.6Cu-0.3Mg-0.6Ag）成分接近 於 2014 合金，因此銲接性不佳。Kim et al.⁽³⁹⁾發現在 Al-Zn-Mg 合金中添加 Cu 會提高 裂縫敏感性，Mg 則可降低，並指出加入 Zr 比 Cr 更能提升銲接性。另外，添加微量 過渡元素可減緩 HAZ 過量析出，減少 HAZ 沿晶破裂產生，例如，於母材中加入 Cr

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可以增加晶粒穩定性；加入 Sc、Zr、Ti 等來細化晶粒，可增加晶界面積，減少共晶 相的集中⁽³⁰⁾。

Borland 於綜合理論（Generalize Theory）⁽³²⁾中提到，銲道組織中的晶粒狀態，也 會影響到熱裂敏感性。細小之等軸晶粒就比粗化之柱狀晶更易承受收縮變形，所產生 之初始裂縫較小且更有效地被回填癒合，有利於降低銲道熱裂發生。Norman et al.⁽⁴⁰⁾ 利用銲道走速參數的改變來觀察 Al-Cu-Mg 合金銲道結構的變化，研究發現銲道銲接 速度增加，使冷卻速率及組成過冷度增大，二次樹枝臂間距（Dendrite Secondary Arm Spacing）亦隨著銲道走速的增加而變小，結構因此而易變成等軸細小晶粒，強度因 此增加，並易於凝固時回填裂縫，降低熱裂發生。

因此，於母材 A201 鑄造用鋁合金中加入微量過渡元素 Sc、Zr、Ti 等可細化晶粒，

並使鋁湯能更有效地填補癒合銲道凝固時所產生的裂縫，減少共晶相的集中以降低熱 裂發生，再配合適當的銲接條件，將能改善甚至解決高強度鋁合金（例如，A201 鑄 造用鋁合金）之熱裂問題。

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1-4 微量過渡元素（Sc、Zr 等）對銲接及其他特性之 效用

鈧( Sc )是目前在提升鋁合金性質中，最有效的過渡元素之一⁽⁴¹⁾，由於具有低密 度，因此添加後可促使合金輕量化⁽⁴²⁾，不過 Sc 為稀有元素，所以價格非常昂貴，現 僅用於高經濟價值的產品上。目前一些學者研究得知，於鋁合金中加入微量的 Sc 後，

具有(1)細晶強化。(2)抑制再結晶。(3)改良銲接性。(4)除渣、吸氫、吸氧⁽⁴³⁾後，使鋁 液清淨度增加，改善延伸率等優點；因此，各國學者皆非常重視，應用於各方面的研 究亦正在進行。 Lamikov and Samsonov⁽⁴⁴⁾發現，鋁合金中添加 Sc 後，能使晶粒細化，

達到強化的效果。由 Al-Sc 相圖⁽⁴⁵⁾中（圖 1.3）可以發現，Sc 含量添加，超過共晶點 後，會於凝固時析出 Al₃Sc 之介金屬化合物。Al₃Sc 晶體結構為 L1₂，晶格常數為 0.4104nm，與 α-Al 基地相近（0.404nm），因此極易整合析出^(41,46)，且α-Al 亦容易於 Al₃Sc 上孕核，而有細化晶粒作用。不過，Al₃Sc 也與鋁基地有高度的失配性（Mismatch）

(47)，易造成明顯的晶格應變，進而阻礙差排的移動與抑制晶粒的成長。Al-Sc 共晶溫 度發生於近乎純鋁熔點的溫度之下⁽⁴⁵⁾，此高度的凝固溫度可以促進晶粒異質成核，達 到細晶強化。

Hyde et al.⁽⁴⁸⁾ 利用冷卻速度來討論 Al₃Sc 的析出機構，結果顯示 Al₃Sc 會異 質成核於熔湯之氧化物上析出。若施以慢速冷卻，Al₃Sc 顆粒最終會形成正方體之晶 出相，並可觀察到連續正方體顆粒的現象；在快速冷卻下，Al₃Sc 則會以非多面體的 方式成長，而趨於形成胞狀樹枝（Cellular-Dendrite）結構的正方體顆粒。Novotny and Ardell⁽⁴⁶⁾於不同 Sc 含量的 Al-Sc 合金探討 Al₃Sc 析出型態的研究中亦觀察到此現象發 生。

Norman et al.⁽⁴²⁾研究發現 Al₃Ti、Al₃Zr、Al₃Sc 具有類似的晶體結構，且 Al₃Sc 極 適合α-Al 的孕核，因而有較佳的晶粒細化；若同時將 Sc、Zr 加入鋁合金內，於凝固 時 Al₃Sc 會在先成核晶出之 Al₃Zr 上附著晶出，形成 Al₃(Sc,Zr)相，而能減少 Sc 的用 量，節省合金成本。Rokhlin et al.⁽⁴⁹⁾利用 X-ray 分析亦發現 Al₃Sc 中含有大量 Zr，而

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在 Al₃Zr 中也含有些微的 Sc，並用 DTA 熱分析實驗得知在凝固時，Al₃Zr 會比 Al₃Sc 先晶出。Yin et al.⁽⁵⁰⁾指出 Sc 有細晶效果，並用 EDX 發現析出顆粒中間富含 Zr，此結 果與 Norman 的研究相符。Forbord et al. ⁽⁵¹⁾利用 TEM 及 3DAP 發現到 Al₃(Sc,Zr)的存 在。

除了晶粒細化外，Sc 的添加亦有高度的抑制再結晶作用⁽⁴¹⁾（圖 1.4）。Ocenasek and Slamova⁽⁵²⁾於 Al-Mg 合金中加入 Sc、Zr 會形成 Al₃(Sc,Zr)整合相，發現此細小散佈相 具有良好的熱穩定性，有助於提高再結晶溫度，抑制再結晶發生。Marquis et al.^(53,54) 亦實驗得知 Sc 有助於增加長時間時效的熱穩定性，提高再結晶溫度。因此，Sc、Zr 的細晶強化、抑制再結晶作用、提高熱穩定性等優點，將有助於改善高強度鋁合金的 銲接熱裂問題。

Kharakterova⁽⁵⁵⁾與 Zakharov⁽⁵⁶⁾於 Al-Cu-Sc 合 金 ( 圖 1.5) 中 發 現 了 W 相

（Al_5.4-8Cu_6.6-4Sc）的存在，為正方體結構（a=b=0.86nm、c=0.51 nm），而此 W 相會

消耗 Sc 而減少 Al₃Sc 析出。Norman et al.⁽⁵⁷⁾在 2024 合金中添加不同含量的 Sc，發現 Sc 含量愈高，細晶效果愈強，而提升拉伸強度，並利用 XRD 和 DSC 分析指出 W 相 的存在，於凝固時形成；此研究亦指出，添加 Zr 能降低 Sc 的用量，鑄態時即得到良 好的細晶組織。Yu et al.⁽⁵⁸⁾發現在 2618 合金中加入 Sc、Zr 後，於凝固時會晶出 Al₃(Sc,Zr) 而細化晶粒，高溫(300℃)時效下之機械性質佳。

國內學者^(59,60)認為，於 A201 合金中加入 Sc 雖能細化晶粒，但 W 相的生成，會 降低 Sc、Cu 的含量，而經固溶處理後，W 相無法回溶，使基地內 Cu 原子固溶量明 顯降低，導致時效處理無法析出大量的 θ’相，減低析出強化作用。陳永斌⁽⁶⁰⁾於添加 Sc、Zr 對 Al-4.6Cu-0.3Mg- 0.6Ag 合金影響之研究中發現，Sc 會與 Al、Cu 形成 W 相，

且經固溶處理後無法回溶，並由 EPMA 得知淬火後鋁基地中 Cu 原子之固溶量確實地 減少，導致降低後續時效析出強化作用，造成強度不足。因此，雖然 Sc 有散佈細晶 強化的效果，並不能補足 W 相所導致的析出強化下降效應，時效後材料強度、硬度 依然下降；添加微量 Zr、Ti 能取代 Al₃Sc 形成 Al₃(Sc,Zr)和 Al₃(Sc,Ti)，得到良好細晶

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效果，並能降低 Sc 的用量，減低 W 相的生成，對於後續時效析出有較大幫助，但效 果還是有限。

因此，在 A201 鑄造用鋁合金中加入 Sc、Zr 後，於凝固時會形成 Al₃Sc、Al₃(Sc,Zr) 散布相，使晶粒大幅細化，而依照 Borland 的綜合理論⁽³²⁾，推測此良好細晶效果，將 使鋁湯能有效地填補癒合銲道凝固時所產生的裂縫，並減少共晶相的集中以降低熱裂 發生，改善 A201 鑄造用鋁合金銲補熱裂問題。但由於 W 相（Al_5.4-8Cu_6.6-4Sc）於凝固 時便生成，且無法經由固溶處理回溶至鋁基地，而減少淬火後 Cu 原子之固溶量，導 致時效處理無法析出大量的強化相，降低析出強化作用。所以，雖然在 A201 鑄造用 鋁合金中添加 Sc、Zr 後應能提升銲接性，改善銲接熱裂，但亦會造成銲道強度不足 的問題。解決焊補熱裂的方法有三種，分別為冶金(焊條材料的選擇和配製)、機械(將 被焊件用機械拘束力固定) 、熱的輸入(將被焊件加熱至適當的高溫)。

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1-5 研究動機

本實驗主要目的為製成 A201 鑄造用鋁合金之堪用銲條(filler)，銲補 A201 鑄造用 鋁合金之鑄件，並於人工時效熱處理後，兼具優秀的常溫(25°C)及高溫(230°C)之機 械性質。正如上述，A201 鑄造用鋁合金常被用於航太結構材料和反飛彈武器系統，

但因其具有較寬之固、液兩相區（123～127℃），故極易於鑄件中造成氣孔、縮孔、

熱裂、偏析、熱裂等缺陷，因 A201 鑄造用鋁合金在所有鑄造鋁合金中具有最高的機 械強度（T6 可達 485 MPa），易導致在銲接過程中產生銲接熱裂的問題⁽³⁾，大型鑄件 因小處的缺陷，無法焊補而報廢；又因其含 Ag 量 0.4～1.0 wt.％，價格昂貴 ，且目 前尚無專用之銲條，因此研究適合之銲料，藉由銲補提高 A201 鑄造用鋁合金之鑄件 的二次合格率，是一項極具挑戰性的任務。

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1-6 銲料合金設計

由目前各文獻回顧之研究結果得知，於 Al-Cu 合金中添加微量過渡元素 Sc 後，

能於凝固時形成 Al₃Sc 散布相，使晶粒大幅細化，而依照 Borland 的綜合理論⁽³²⁾，此 良好細晶效果，將能降低熱裂發生，達到提升銲接性的效果；本實驗擬於 A201 鑄造 用鋁合金（Al-4.6Cu-0.3Mg- 0.6Ag）合金中，添加 0.1 wt.％Zr(鋯)或 A201 鑄造用鋁合 金中，添加 0.1 wt.％V(釩)等兩種銲料後，期望能得到良好細晶效果，解決 A201 鑄造 用鋁合金（Al-4.6Cu-0.3Mg- 0.6Ag）鑄件銲補熱裂的問題。有關於 A201 鑄造用鋁合 金中，添加微量過渡元素 Sc、Zr、Ti 等可細化晶粒之文獻不少，而鋁合金中添加微 量的釩(V)之文獻甚少。M.Arhami et al.⁽⁶¹⁾於 Al-8Fe-1.4V-8Si 擠壓鑄造之微結構性質之 研究發現，釩(Vanadium) 於 Al-8Fe-1.4V-8Si 合金中可細化晶粒。本實驗擬於 A201 鑄造用鋁合金（Al-4.6Cu-0.3Mg- 0.6Ag）中，添加 0.1 wt.％ Zr(鋯)或 A201 鑄造用鋁 合金中，添加 0.1 wt.％ V(釩)等兩種銲料，期望能藉由其晶粒細化的優點，達到提升 銲補性的效果，解決 A201 鑄造用鋁合金銲補熱裂問題；此外，將銲料合金做成銲條，

並分別對於母材 A201 鑄造用鋁合金施以 TIG 銲補，期望能藉由其晶粒細化的優點，

解決銲補熱裂問題；分析銲料經 TIG 銲後之微結構與常溫(25°C)及高溫(230°C)機械 性質，並與母材 A201 鑄造用鋁合金做比較。

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第二章 實驗步驟與方法

2-1 合金配製

為了探討（1）含 Zr 之銲料合金與 A201 鑄造用鋁合金之微結構與機械性質，以 及（2）經 TIG 銲後試片之性質分析，因此，本實驗做一個整合性的研究，以 A201

鑄造用鋁合金是否銲補的程序作為兩者分別，流程如下圖 2.1 所示，茲分別介紹如下：

如表 2.1 所示，本實驗共配置三爐，合金熔配時，在電阻坩鍋爐中置入 A201 合 金鋁錠，升溫至 750℃待熔化後，加入適當 Al-50Cu、Al-5Zr、Al-10V、Al-60Ti、Al-75Mn 等母合金，及純 Mg 與 Ag 粉，經充分攪拌，以乾燥之 Ar 氣除氣 30～40 分鐘後，靜 置 5～10 分鐘，再澆注於已預熱之金屬模中，鑄件尺寸為 125×100×25 mm 及 ψ20×180 mm 兩種。除氣時，須注意氣體流量，不宜太大；澆注前，模具則需烘烤加熱，將模 具中的水氣烘乾，避免鑄件產生氣孔及鋁液遇水氣爆炸，發生危險。

2-2 銲條製程

將直徑 20 mm 之銲料合金鑄錠經均質化熱處理後，再經機械加工清除表層汙物 並以濃度 95％之酒精清洗去汙，再利用型鍛機（Swaging Machine）如圖 2.2 所示，

將材料擠型、冷鍛成直徑 4.6 或 3 mm 之銲條，如圖 2.3 所示。型鍛機模具尺寸：

20-17.5、17.5-15、15-13、13-11.5、11.5-10、9、8、6.3-5.5、5.7-4.7、4.0-3、2.5 等，

共 11 組，單位為 mm，模具有大小徑及 3.5°的錐度。

在擠型、冷鍛銲條過程中，須高度注意銲條清潔度，模具、型鍛機、地面及銲條 接觸的地方都要清潔乾淨，以確保銲條之清淨度，使銲補鑄件之銲道的清淨度提高，

如此，銲補後的機械性質更準確。A201 鑄造用鋁合金銲補鑄件，銲補前應以肥皂水 清洗再用丙酮或 95％酒精做徹底去汙。最後，將去汙後之 A201 鋁合金銲補鑄件及銲 條加熱烘乾，去除水氣，然後利用交直流氬銲機（Thermal Dynamics, Thermal Arc, AC/DC Inverter Arc Welder）如圖 2.4 所示(在工業界慣稱為 TIG)，施以銲補。

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2-3 A201 鑄造用鋁合金鑄件之銲補

本實驗分別用 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲條，銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件。A201 鑄造用鋁合金鑄件銲補前，

先將 A201 鑄造用鋁合金鑄件表面不潔處清理乾淨，用鋼刷刷除表面的氧化物，再用 瓦斯將 A201 鑄造用鋁合金鑄件預熱至鑄件表面溫度約 250℃之高溫，然後再施與銲 補。氬銲機(圖 2.4)之電弧在鎢電極與 A201 鑄造用鋁合金銲補鑄件之間產生，同時添 加填料(棒材)於電弧間，使填料熔化，銲炬另吹出氬或氦等惰性氣體，以保護熔融狀 之銲道使其不被氧化，待凝固後即形成銲道，在氬銲機施銲時，其電流為可調整，電 流愈大，輸入的熱量愈大。實施銲補前，將 A201 鋁合金鑄件(直徑 400mm，厚度 16mm) 部份加工成 1 條 U 形銲道(長 250 mm，深度 11mm)，如圖 2.5 及圖 2.7 所示，假設此 U 形銲道為鑄件之缺陷部位，分別用 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鑄 造用鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲條銲補，氬銲機之操作電壓固定為 12V，電流調至 280 A，實施 TIG 銲補，銲補鑄件之厚度愈厚，電流調至愈大。實施銲補前，務必將試片 預熱，除去表面水氣，避免銲補鑄件銲後產生大量氣孔。氬銲機(TIG)施銲完成後，

如圖 2.6 及圖 2.8 所示。

2-4 銲補鑄件之螢光檢驗

螢光檢驗：將氬銲機(TIG)施銲完成後之 A201 鑄造用鋁合金銲補鑄件，浸泡在 調配好的螢光液內約 15 分鐘後，將 A201 鑄造用鋁合金銲補鑄件取出，用高壓之清 水沖洗，將殘餘的螢光液清洗乾淨後，置入烘乾機內加熱，將銲補鑄件烘乾，再用黑 光燈檢察銲補鑄件表面，是否有線缺陷(裂縫)。

2-5 熱處理

將熔鑄所得之銲料、母材合金以及銲後試棒於空氣爐中進行 515℃×2hr＋525℃

×8hr 之均質化熱處理後爐冷。隨後依照航空材料規範⁽²⁶⁾，進行 T7 過時效熱處理，程 式如下：

固溶處理（515℃×2hr＋525℃×8hr，於空氣爐中進行） → 水淬（25℃） →人

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工時效（185℃×5hr，於油浴爐中進行）。

2-6 微結構分析

1.光學顯微鏡(OM)之金相觀察

顯微組織觀察之金相試片，先經砂紙粗磨、細磨以及氧化鋁粉進行拋光處理至無 刮痕後，用 95％酒精洗淨並吹乾。再將試片以 0.5％濃度之氫氟酸（HF）溶液浸蝕約 5～10 秒，經水沖洗並吹乾後，置於光學顯微鏡（Olympus BX60M）下分別觀察銲接 前後之鑄態與固溶處理後之微結構。另外，利用Barker’s reagent（5 ml HBF₄＋200 ml H₂O），於 20V 下進行電解蝕刻約 10～20 秒，試片洗淨吹乾後，置於光學顯微鏡下偏 光觀察晶粒組織，並參照 ASTM E112-88⁽⁶²⁾規範，利用線截距法計算晶粒尺寸。

2.掃描式電子顯微鏡(SEM)分析

利用 JEOL-JAM-35CF 之掃瞄式電子顯微鏡，對有、無銲補兩種程序下各合金拉 伸試片之破斷面進行觀察，以便瞭解斷面破裂情形。

3. EDX 分析

利用能量分佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer)之 X-Ray 分析，簡稱 EDX 分析，即對金相試片之顯微組織，分析其相(Phase)的重量(wt.％)及原子(at.％)百分比。

2-7 常溫、高溫機械性質分析

常溫機械性質測試方法：將銲後試棒進行 T7 過時效熱處理，經車床加工成所要 的尺寸後，再做常溫之拉伸性質測試。

高溫機械性質測試方法：將拉伸試棒加熱到高溫(230℃)，持溫 10 分鐘後進行拉 伸試驗。

高溫(230℃)硬度測試：將試片放置加熱爐內，加熱至 230℃的溫度，持溫 10 分 鐘後，再拿出至硬度試驗機進行硬度性質測試。

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2-8 硬度試驗

利用勃氏硬度試驗機：

1.依試片材質選用適當的壓痕器(如直徑 10mm 鋼球)及荷重，而試驗荷重選定方法為 使壓痕直徑=0.2~0.6 倍鋼球直徑(即 2~6 mm)。

2.依選定荷重,放上重錘,且重錘之裝上卸下須左右同時為之。須注意重錘重量 = 試驗 荷重 - 預加荷重(500 kg),如 1500kg 試驗荷重,只須裝上 1000kg 重錘。

3.將試片放在砧座上。

4.旋轉升降手輪到試片面和鋼球輕輕接觸為止。

5.關閉排氣閥,但不宜太緊。〝緩慢〞搖動油泵把手,慢慢升高筒內壓力，但接近預定 荷重時，須減慢油壓增加速率，此時重錘之重量會和高壓油槽內之油壓平衡，而錘 架會緩緩昇高，其高度以 10mm 左右為宜(油壓不可超過紅線，而此時油泵把手在下 方位置)。

6.荷重指示盤的指針到達預定荷重後，荷重保持時間為 30 秒，當時間一到,”緩慢”鬆 開排氣閥此時荷重指示盤的指針會歸零。

7.降下砧座,取下試片,利用計測顯微鏡量取壓痕直徑,測定時須量度直交兩方向之直 徑，再求其平均值，平均值求至小數點以下第二位。

8.計測顯微鏡的使用方法: (1)進光缺口朝向光源。(2)將壓痕對準物鏡。(3)調整物鏡昇 降手輪至壓痕清晰為止。(4)調整「目鏡調節用輪」使刻度尺清晰，調整「目鏡旋轉 用輪」使刻度尺水平。(5)將壓痕邊對正目鏡內刻度之”0”處。(6)讀取壓痕直徑。

9.量取壓痕直徑後，查表而得硬度值。

10.每一試片須作三~五次試驗,以求平均硬度值。

量測各種合金於 T7 時效處理後的硬度變化，以及銲後經 T7 時效熱處理後之銲道 及母材的硬度值。

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2-9 拉伸試驗

拉伸試棒分有、無銲補兩種，無銲補之拉伸試棒，其標距長為 50.8mm;而經銲 補之拉伸試塊，如圖 2.9 所示，將其切割成斷面正方形試塊，再將正方形試塊磨成 趨近如圖 2.10 所示之圓形斷面，然後在車床上加工成拉伸試棒，其標距長為 25.4mm。經 T7 處理後之拉伸試棒，以電腦連線控制之 MTS 閉迴路液壓伺服控制 萬能試驗機，配合 MTS 所發展之 759 自動化測試軟體(759 Testware Material Testing Software)，進行拉伸試驗並進行結果分析，拉伸速率為 0.3 mm/min。

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第三章 結果與討論

3-1 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲料合金(A201 鋁合金添 加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V)之微結 構分析(未經氬銲機銲補)

1.鑄態金相觀察

圖 3.1(a)、(b)、(c)分別為母材 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲料合金：A201 鑄造用 鋁合金添加 0.1wt％Zr(鋯)及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％V(釩)之鑄態金相圖，圖 3.1(a)為 A201 鑄造用鋁合金鑄態金相，可發現其結構主要是由 α-Al 與存在於枝晶間 的網狀 CuAl₂共晶相所組成，另外尚可發現到少量的球狀 S 相（Al₂CuMg）存在於晶

粒之中^(63,64)。而圖 3.1(b)為 A201 鑄造用鋁合金中添加 Zr(0.1wt％)之銲料合金鑄態金

相，其主要結構亦為α-Al 以及 CuAl₂共晶相所組成，且 CuAl₂共晶相較 A201 合金為 細小分散，此外並可觀察到少量球狀 S 相存在；另外，仍可發現到正方形、三角形、

矩形或多邊形的(polygonal)Al₃(Ti,Zr)晶出相，存於晶粒或晶界中。由於此晶出相未存 於 A201 合金鑄態金相中，因此得知在 A201 鑄造用鋁合金中添加微量鋯後，於凝固 時，會形成 Al₃(Ti,Zr)晶出相。圖 3.1(b) 為 A201 鑄造用鋁合金中添加 Zr(0.1wt％)之 銲料合金鑄態金相，存於銲料合金鑄態金相中的矩形或多邊形之細小晶出相，經 EDX 分析後，成分約含 15at.％Ti，6at.％Zr，其餘為 Al，因此其成份為 Al₃(Ti,Zr)晶出相。

Norman et al.⁽⁵⁷⁾於 2024 合金中加入 0.4 wt.％Sc、0.12 wt.％Zr 後，利用 EDX 分析後，

發現到 Al₃(Sc,Zr)相及 W 相存在；且經實驗證實，在 Al-Cu 合金中添加微量 Sc、Zr 後，於凝固時便會形成 Al₃(Sc,Zr)相以及 W 相，而有助於細化晶粒，增加晶界面積，

使得 CuAl₂共晶相較為細小分散，不過 W 相之生成卻會消耗合金中部分 Sc 元素及 Cu 元素⁽⁵⁶⁾。而圖 3.1(c)為 A201 鑄造用鋁合金中添加 V(0.1wt％)之銲料合金鑄態金 相，其主要結構亦為α-Al 以及 CuAl₂共晶相所組成，且 CuAl₂共晶相較 A201 合金為

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細小分散，此外並可觀察到少量球狀 S 相存在；另外，仍可發現到多邊形(Polygonal Form)或中文字體形(Chinese Script Form)的 Al₃(Ti,V)晶出相，存於晶粒或晶界中⁽⁶¹⁾。 由於此晶出相未存於 A201 合金鑄態金相中，因此得知在 A201 鑄造用鋁合金中添加 微量釩後，於凝固時便會形成 Al₃(Ti,V)晶出相。圖 3.1-1(c) 為 A201 鑄造用鋁合金中 添加 V(0.1wt％)之銲料合金鑄態金相，存於銲料合金鑄態金相中的正方形細小晶出 相，經 EDX 分析後，成分約含 14at.％Ti，5at.％V，其餘為 Al，因此其成份為 Al₃(Ti,V) 晶出相。

2.晶粒大小觀察

圖 3.2(a)為母材 A201 鑄造用鋁合金之鑄態金相組織，圖 3.2(b)與圖 3.2(c)分別為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr(Zirconium)及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V(Vanadium)之銲 料合金鑄態金相組織，由圖 3.2(a)可觀察到 A201 鑄造用鋁合金鑄態之晶粒呈樹枝狀，

利用線截距法可測得其平均直徑約 270μm；圖 3.2(b)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 之銲料合金鑄態金相組織，其晶粒組織呈等軸狀，經線截距法測量後其平均直徑約為 110μm；而在 Al-Cu-Mg-Ag 合金中添加微量 Zr 後，於凝固時會晶出 Al₃(Ti,Zr)散布相，

由於其晶格常數與鋁相近，因此易使α-Al 於 Al₃(Ti,Zr)上孕核^(41,46)，而有良好的晶粒 細化效果，所以含 Zr 之銲料合金之晶粒直徑明顯地小於 A201 合金。圖 3.2(c)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金鑄態金相組織，其晶粒組織亦呈等軸狀，經線截距 法測量後，其平均直徑約為 130μm；而在 Al-Cu-Mg-Ag 合金中添加釩後，於凝固時 會晶出 Al₃(Ti,V)，而有良好的晶粒細化效果，所以含 0.1wt％V 之銲料合金之晶粒直 徑約為 A201 鑄造用鋁合金之二分之一。因此，於 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt

％Zr 或 0.1wt％V 之銲料合金，皆有很好的晶粒細化效果，鋯的晶粒細化效果比釩的 晶粒細化效果稍佳。

3.EDX 分析

利用能量分佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer)之 X-Ray 分析，簡稱 EDX 分析，即對金相試片之顯微組織，分析其相(Phase)的重量(wt.％)及原子(at.％)百分比。

2

1

1 2

4 4

1 2 1

1 2

19

圖 3.3 為 A201 鑄造用鋁合金鑄態之 SEM(Scanning Electron Microscopy)掃瞄圖，

經 EDX(Energy Dispersive Analysis)分析後，圖中位於晶界之顯微組織如箭號 1，2，3 所示，其成分約含 32at.％Cu，其餘為 Al，因此其成份為 CuAl₂ 共晶相。圖 3.3 之箭 號 4，5 所示，存在於晶粒之中，經 EDX(Energy Dispersive Analysis)分析後，其成分 約含 2at.％Mg，26at.％Cu，其餘為 Al，其成份為（Al₂CuMg）之球狀 S 相。圖 3.5 為 A201 鑄 造 用 鋁 合 金 添 加 0.1 ％ Zr(Zirconium) 鑄 態 之 SEM(Scanning Electron Microscopy)掃描圖，圖中位於晶粒內之顯微組織，如箭號 6 所示，經 EDX(Energy Dispersive Analysis)分析後，其成分約含 10at.％Zr，7at.％Ti，其餘為 Al，因此其成份 為 Al₃(Zr,Ti) 晶 出 相 。 圖 3.7 為 A201 鑄 造 用 鋁 合 金 +0.1 ％ V(Vanadium) 鑄 態 之 SEM(Scanning Electron Microscopy)掃描圖，圖中位於晶粒內之顯微組織，如箭號 9，

10 所示，經 EDX(Energy Dispersive Analysis)分析後，其成分約含 14at.％Ti，5at.％V，

其餘為 Al，因此其成份為 Al₃(Ti,V)晶出相。由於此晶出相未存於 A201 合金鑄態金相 中，因此得知在 A201 鑄造用鋁合金中添加微量釩後，於凝固時便會形成 Al₃(Ti,V) 晶出相。M.Arhami et.al⁽⁶¹⁾ 於 Al-8Fe-1.4V-8Si 之擠壓鑄造之微結構中，發現多邊形 (Polygonal Form) 或 中 文 字 體 形 (Chinese Script Form) 的 晶 出 相 ， 經 EDX(Energy Dispersive Analysis)分析後，其成分為 Al7(Fe,V)3Si 之 α 相。

1 4

5 2

10 6 6

20

3-2 A201 鑄造用鋁合金及兩種銲料之性質分析

1.機械性質分析

A201 鑄造用鋁合金為可熱處理型的鋁合金，是利用時效熱處理的方式，析出 θ’

相及Ω 相來達到強化的材料，因此其強度將因 θ’相及 Ω 相之析出總量而改變，析出 總量愈多，合金強度則愈強。A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt

％V 之銲料合金，亦以析出 θ’相及 Ω 相達到強化的材料，因此其強度將和 A201 鑄造 用鋁合金相似，也是利用時效熱處理的方式，析出θ’相及 Ω 相來達到強化的材料，θ’

相及Ω 相之析出總量愈多，合金強度則愈強。

表 3.1 為母材 A201 與 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金，經 T7 人工時效熱處理後之拉伸性質。由表 3.1 所示，經 T7 人工時效熱 處理後，母材 A201 鑄造用鋁合金之抗拉強度為 415MPa，延伸率為 3％；而 A201 鋁 合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金之抗拉強度分別為 379 MPa 及 375 MPa，而延伸率為分別為 6％、6％；因此，經 T7 人工時效熱處理後，A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金的抗拉強度，分別為 A201 鑄造用鋁合金的 91％(379/415)及 90％(375/415)，而延伸率些微的提升至 5％及 6％。

由圖 3.2(a)、(b)、(c)及表 3.1 可知，於母材 A201 合金中添加 0.1wt％Zr 或 0.1wt％V 後，都有很好的晶粒細化效果，其抗拉強度些微的下降，延伸率則些 微的提升。

2.拉伸試驗後，拉伸試棒的破斷面 SEM 觀察

圖 3.10(a)、(b)、(c)分別為母材 A201 鑄造用鋁合金與 A201 合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金，經 T7 人工時效熱處理後，拉伸試棒經拉 伸實驗後，拉伸試棒的破斷面用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy)觀察 其破斷面的形態。

21

由圖 3.10(a)、(b)、(c)中，可觀察到 A201 鑄造用鋁合金其 SEM 拉伸破斷面之韌性凹 窩（Dimple）較 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt

％V 之銲料合金少，而脆性劈裂面較 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之銲料合金多。

22

3-3 A201 鑄造用鋁合金之 TIG 銲補實驗

1.銲條製作

兩種銲料合金(A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V)之直徑 為 20 mm，經型鍛機(圖 2.2 )冷擠型成 2.5mm 直徑之焊條。

2.銲條金相(OM)觀察

A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之 兩 種 銲 料合金，其直徑均為 20mm 的試棒，經型鍛機冷擠型成 2.5mm 直徑之銲條，其縱向 光學顯微鏡(OM)金相，如圖 3.11 及圖 3.12 所示，其晶粒形態經型鍛機冷擠型成細長 之晶粒，晶粒為經塑性加工後之拉長晶粒形態。由圖 3.11，利用線截距法可測得其拉 長晶粒之平均長度約為350μm，平均寬度約為 35μm；由圖 3.12，利用線截距法可測 得其拉長晶粒之平均長度約為365μm，平均寬度約為 43μm。

3.A201 鑄造用鋁合金鑄件銲補：TIG 氬銲機之銲補

本實驗分別用 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％V 之銲料合金當銲條，用以銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件：

A201 鋁合金鑄件銲補前，先將 A201 鋁合金鑄件表面不潔處清理乾淨，用鋼刷 刷除表面的氧化物，再用瓦斯將 A201 鋁合金鑄件預熱至鑄件表面溫度約 250℃之高 溫，然後再施與銲補。氬銲機(TIG)之電弧在鎢電極與 A201 鋁合金銲補鑄件之間產 生，同時添加填料(棒材)於電弧間，使填料熔化，銲炬另吹出氬或氦等惰性氣體，以 保護熔融狀之銲道使其不被氧化，待凝固後即形成銲道，在氬銲機施銲時，其電流為 可調整，電流愈大，輸入的熱量愈大。將 2 件 A201 鋁合金鑄件，部份加工成 1 條 U 形銲道(長 250 mm，深度 11mm)，如圖 2.6 及圖 2.7 所示，假設此 U 形銲道為鑄件之 缺陷部位，分別用 A201 鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲條，

銲補 A201 鋁合金鑄件，氬銲機之操作電壓固定為 12V，電流為可調，A201 鋁合金 鑄件之厚度 16mm，氬銲機銲補之操作電壓 12V，電流 280 A，實施 TIG 銲補，銲補

23

鑄件之厚度愈厚，電流調至愈大。實施銲補前，務必將試片預熱，除去表面水氣，避 免銲補鑄件銲後產生大量氣孔。氬銲機(TIG)施銲完成後如圖 2.6 及圖 2.8 所示。銲補 鑄件應放置於平坦處，以避免變形，本實驗做三道次銲補，每焊完一次後，用鋼刷清 除銲道表面汙物後，再做下一次銲補。

拉伸試棒分有、無銲補兩種含 Zr 之 A201 鋁合金之拉伸試棒，無銲補之銲料合 金拉伸試棒其標距長為 50.8mm;而經銲補之拉伸試塊如圖 2.6 及圖 2.8 所示，將其切 割成斷面正方形試塊，再將正方形試塊磨成趨近如圖 2.10 所示之圓形斷面，然後在 車床上加工成拉伸試棒規格，其銲補試棒標距長為 25.4mm。

24

3-4 經氬銲機 TIG (Tungsten inert gas )銲補後之性質分 析

1.螢光檢驗

將氬銲機(TIG)施銲完成之 A201 鑄造用鋁合金銲補鑄件，如圖 2.6 及圖 2.8 所示，

施以目視及螢光檢驗，經檢驗分析結果，2 件銲補鑄件均無熱裂(Hot Cracking) 現象。

2.微結構分析(金相觀察)

圖 2.14 及圖 3.15 分別用 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鑄造用鋁合 金添加 0.1wt.％V 當銲條，銲補 A201 鋁合金鑄件後之母材 A201 合金熱影響區及銲 道鑄態金相圖，銲件由外部至中心之微結構則可分為母材 A201 鋁合金、熱影響區（約 3～5mm）以及銲道組織。圖 3.14 及圖 3.15 之右方晶粒較大區域為母材熱影響區部分，

左方晶粒較小區域則為銲道組織。母材 A201 鑄造用鋁合金熱影響區部分之鑄態金 相，其結構主要是由α-Al、存在於枝晶間(Interdendrite)的網狀 CuAl₂共晶相、少量存 在於晶粒之中的球狀 S 相。右方之母材 A201 鑄造用鋁合金熱影響區部分及左方之銲 道組織，經目視及螢光檢驗分析結果，2 件銲補鑄件均無熱裂(Hot Cracking) 現象。

因此，A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲

條，能有效銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件，而無銲道及熱影響區熱裂發生。

銲接熔融區的結構與金屬本身的成份有關，但由於在銲接中，通常溫度的梯度很 大，而且晶粒成長速度緩慢，就算合金具備較寬的凝固溫度範圍，其熔融區中，柱狀 晶粒⁽⁶⁵⁾仍然存在。銲件之鑄態金相中，可發現其銲道組織為等軸細小晶粒，且經目視 及螢光檢驗分析結果，2 件銲補鑄件均無銲道凝固熱裂或熱影響區液化熱裂發生，顯 示加入 Zr(鋯)、V(釩)後的良好細晶效果，確實能夠在銲補時使鋁湯有效地填補癒合 銲道凝固時所產生的裂縫，並減少 CuAl₂共晶相的集中，降低熱裂發生，改善 A201 鑄造用鋁合金銲補熱裂問題。

此外，由圖 3.16 中可發現，經 TIG 銲補後，銲件之銲道組織，有微量之小氣孔（直

25

徑大小均在50μm 以下）存在，微量之小氣孔對機械性質無影響很小。Kammer et al.⁽⁶⁶⁾ 將銲接中的氫氣來源分為內、外兩種。前者固溶於母材或銲料中，且較不易去除；後 者主要由母材及銲料表面水氣所致，可於鑄件銲補前預熱來降低。Cheever⁽⁶⁷⁾研究指 出：較高之雜質含量亦會產生氣孔。由於本實驗在 TIG 銲補前，母材 A201 鑄造用鋁 合金鑄件用瓦斯預熱至鑄件銲道附近的表面溫度約 250℃左右，再施予 TIG 銲補，應 可大幅去除母材與銲條所附著之水氣，但由圖 3.16 中仍可觀察到銲件之銲道中存有 微量氣孔，推測應為銲條內含微量氫或雜質。在本文之前言中曾提及：解決鑄件銲補 熱裂的方法有三種，分別為冶金(焊條材料的選擇和配製)、機械(將被銲件用機械拘束 力固定)、熱的輸入(將被焊件加熱至適當的高溫)。本實驗之銲條材料的選擇和配製，

是應用冶金的方法，即在 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1 wt.％ Zr 或 0.1 wt.％ V 等兩 種晶粒細化劑；其次再應用熱的輸入法，即將 A201 鑄造用鋁合金預熱至適當的溫度，

再施予氬銲(TIG)銲補，應可大幅去除被銲件所附著之水氣。而此，被銲件銲補前之 預熱有三個目的：一為，可大幅去除被銲件所附著之水氣，若被銲件銲補前不實施預 熱，被銲件所附著之水氣，銲補後銲道將產生大量的大小氣孔，大大的降低被銲件的 機械性質；二為，銲補後被銲件比較會有熱裂的傾向；三為，被銲件和銲條的接合處 會產生不完全熔融，即不當的接點穿透(Inadequate Joint Penetration)，在銲道間由於銲 工所造成的不完全熔融叫做冷疊(Cold Lap)。因此，被銲件銲補前之預熱至適當的溫 度對銲補後的機械性質是很重要的，但預熱溫度若太高，被銲件的變形會愈嚴重。

26

3-5 兩種銲件銲補後之常溫(25℃)機械性質分析

A201 鑄造用鋁合金為可熱處理型的鋁合金，是利用時效熱處理的方式，析出 θ’

相及Ω 相來達到強化的材料，因此其強度將因 θ’相及 Ω 相之析出總量而改變，析出 總量愈多，合金強度則愈強。以 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt

％V 之兩種銲料合金當銲條(Filler)，銲補 A201 鑄造用鋁合金之鑄件其銲補後的鑄件 亦以析出θ’相及 Ω 相達到強化的材料，因此其強度將和 A201 鑄造用鋁合金相似，也 是利用時效熱處理的方式，析出θ’相及 Ω 相來達到強化的材料，θ’相及 Ω 相之析出 總量愈多，合金強度則愈強。

由上述微結構分析得知，銲件之微結構可分為銲道部分、熱影響區以及母材 A201 合金；其組織型態與成分分析結果皆不相同，將導致各部分之機械性質亦有差別。在 TIG 銲補前，母材 A201 鑄造用鋁合金之鑄件，應先用瓦斯預熱至適宜的溫度，再施 予 TIG 銲補，應可大幅去除母材 A201 鑄造用鋁合金所附著之水氣，而得到良好的銲 補效果；否則，銲補鑄件將產生大量的大氣孔，大大的降低銲補後的機械性質。

由表 3.2 發現，以 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt％V 之兩種銲料當銲條(Filler)，銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件，此兩種銲件，經 T7 人工時效熱處理後，其抗拉強度分別為 372MPa 及 365 MPa，而延伸率分別為 5

％、6％；母材 A201 鑄造用鋁合金之抗拉強度為 415MPa，延伸率為 3％；因此，經 T7 人工時效熱處理後，A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及 A201 鋁合金添加 0.1wt％V 之 銲件的抗拉強度，分別為母材 A201 鑄造用鋁合金的 90％(372MPa /415 MPa)及 88％

(365MPa /415 MPa)，而延伸率些微的提升至 5％及 6％。因此，顯示 A201 鑄造用鋁 合金中添加 0.1wt％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％V 之兩種銲料合金有很好的 晶粒細化效果，其對 A201 鑄造用鋁合金鑄件之銲補性優越。

27

3-6 兩種銲件銲補後之高溫(230℃)機械性質分析

A201 鑄造用鋁合金為高強度航太結構用材料，其機械性質的要求，不僅要有常 溫的機械性質，更要有耐高溫(230℃)的機械性質。超音速飛行航空器 (Super Sonic Transport ，S.S.T )與空氣磨擦將產生高熱，當時速 2.05 馬赫時，表面溫度在 90～100

℃間;當時速達 2.4 馬赫時，表面溫度更高達 160～190℃間。超音速飛行航空器 (Super Sonic Transport，S.S.T )與空氣磨擦將產生高熱，速度快、耐高溫摩擦，因此須有優 良的耐高溫(230℃)的機械性質。

由於 A201 鑄造用鋁合金（Al-Cu-Mg-Ag）為所有鑄造用鋁合金中，具有最高的 機械強度（T6 可達 485 MPa⁽³⁾）及良好的高溫抗潛變性質（200℃以下⁽⁴⁾），因此常被 用於航太結構和軍事武器方面。Polmear and Couper⁽¹²⁾也指出添加 Ag 可以促進 Al-Cu-Mg 合金析出 Ω 相，提升高溫機械性質。Yu et al.⁽⁵⁸⁾發現在 2618 合金中加入 Sc、

Zr 後會於凝固時晶出 Al₃(Sc,Zr)，細化晶粒，高溫時效下（300℃）機械性質皆佳。

由表 3.2 及表 3.3 發現，以 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt％Zr 及 A201 鑄造用 鋁合金中添加 0.1wt％V 之兩種銲料當銲條(filler)，銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件，此 兩種銲件，經人工時效熱處理後之常溫(25℃)抗拉強度分別為 A201 鑄造用鋁合金的 90％(372MPa /415 MPa)及 88％(365MPa /415 MPa)，高溫(230℃)之抗拉強度分別為 A201 鑄造用鋁合金的 91％(284MPa /313 MPa)及 84％(262MPa /313MPa)。因此，再 再的顯示，以 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt％Zr 及 A201 鑄造用鋁合金中添加 0.1wt

％V 之銲料合金當銲條，對 A201 鑄造用鋁合金有很好的銲補性；且其銲後的常溫(25

℃)及高溫(230℃)的機械性質均非常的優越。

本實驗研究結果證實：含微量 0.1wt%Zr 或 0.1wt%V 之 A201 鑄造用鋁合金，於 凝固時會晶出 Al₃(Ti,Zr)相及 Al₃(Ti,V)相，使鑄件晶粒明顯細化。以此兩種銲料合金 當銲條，用氬銲機(TIG)銲補 A201 鑄造用鋁合金鑄件後，其銲道組織皆為等軸細小晶 粒，經目視檢查、螢光檢驗，皆無熱裂(Hot Cracking))發生。且此兩種銲件，經人工 時效熱處理後之常溫(25℃)及高溫(230℃)抗拉強度為 A201 鑄造用鋁合金的 80％以 上，其延伸率分別為 5％、6％。因此，以此兩種銲料合金當銲條，銲補 A201 鑄造用 鋁合金之鑄造缺陷(如氣孔、縮孔、裂縫等)，可藉銲補提高鑄件品質二次合格率。

28

表 1.1 ASM 規範 A206 與 A201 鑄造用鋁合金成份範圍⁽¹⁰⁾

。

AA No

.

（

）

Cu Mg Ag Si Fe Mn Ti Al A201 4.5~5.0 0.15~0.35 0.4~1.0 ＜0.05 ＜0.01 0.2~0.4 0.15~0.35 Rem.

A206 4.5~5.0 0.15~0.35 0 ＜0.05 ＜0.01 0.2~0.4 0.15~0.35 Rem.

ASM(American Society of Material)

表 1.2 Al-Cu-Mg-(Ag)合金析出相隨 Cu／Mg 比改

29

表 2.1 實驗配置之銲料與 A201 合金母材成分表（wt.％）。

表 3.1 A201 鋁合金與含 Zr(0.1wt％)，含 V(0.1wt％)之銲料合金經 T7 時效熱處理後 之機械性質

降伏強度 MPa

抗拉強度 MPa

延伸率

％

勃氏硬度 HBS A201 鋁合金 353

(4)

415 (6)

3 (0.3)

131 (3) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％Zr

336 (3)

379 (5)

5 (0.2)

118 (2) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％V

332 (4)

375 (3)

6 (0.4)

116 (2) 括弧內為標準差,標距長為 50.8 ㎜.

表 3.2 為母材 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲件，經 T7 時效熱處理後之常溫拉伸性質。

降伏強度 MPa

抗拉強度 MPa

延伸率

％

勃氏硬度 HBS A201 鋁合金 353

(4)

415 (6)

3 (0.3)

131 (2) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％Zr

328 (2)

372 (4)

6 (0.4)

130 (3) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％V

324 (3)

365 (3)

7 (0.4)

112 (2) 括弧內為標準差,標距長為 25.4 ㎜.

30

表 3.3 A201 鑄造用鋁合金與兩種銲件，經 T7 時效熱處理後之高溫(230℃)拉伸性 質

降伏強度 MPa

抗拉強度 MPa

延伸率

％

勃氏硬度 HBS A201 鋁合金 305

(3)

313 (5)

3 (0.2)

125 (2) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％Zr

270 (2)

284 (3)

6 (0.3)

110 (3) 銲件

A201 鋁合金+0.1wt％V

252 (2)

262 (2)

8 (0.2)

106 (4) 括弧內為標準差,標距長為 25.4 ㎜.

31

圖 1.1

圖 1.2 天 弓 飛 彈

32

圖 1.3 Al-Sc 部分二元相圖，Sc 的共晶點約為 0.58 wt.％⁽⁴⁵⁾。

圖 1.4 純鋁中過渡元素含量，對再結晶溫度之比較圖⁽⁴¹⁾。

33

圖 1.5 Al-Cu-Sc 於 (a)450℃ (b)500℃ 的三元相圖⁽⁵⁵⁾。

34

圖 2.1 實驗流程圖。

35

圖 2.2 型 鍛 機

圖 2.3 銲 條

36

圖 2.4 氬銲機(TIG)

圖 2.5 銲補鑄件之銲道位置示意圖(銲補前)

37

圖 2.6 施銲完成之銲補鑄件示意圖(銲補後)

圖 2.7 銲補鑄件之銲道位置示意圖(銲補前)

38

圖 2.8 施銲完成之銲補鑄件示意圖(銲補後)

圖 2.9 銲補完成之試塊示意圖

圖 2.10 銲補試棒加工製程示意圖

39

圖 3.1(a) A201 鑄造用鋁合金

圖 3.1(b) A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr

40

圖 3.1(c) A201 鋁合金添加 0.1wt％V

圖 3.1 (a)為母材 A201 鋁合金與(b)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及(c)為 A201 鋁合 金 0.1wt％V 之鑄態金相圖（HF etch）；箭號 1 為 CuAl₂共晶相；箭號 2 為球狀 S 相；

箭號 3 為 Al₃(Ti,Zr)晶出相；箭號 4 為 Al₃(Ti,V)晶出相。

圖 3.2(a) 母材 A201 鋁合金

1

41

圖 3.2(b) A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr

圖 3.2(c) A201 鋁合金添加 0.1wt％V

圖 3.2 (a)為母材 A201 鋁合金與(b)為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及(c)為 A201 鋁合 金 0.1wt％V 之鑄態晶粒尺寸金相圖（HF etch）；箭號 1 為 CuAl₂共晶相；箭號 2 為球 狀 S 相。

42

圖 3.3 A201 鑄造用鋁合金之 SEM(鑄態)

43

圖 3.4 為圖 3.3 中之箭號 4，5 的 EDX 分析

44

圖 3.5 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1Wt％Zr 之 SEM(鑄態)

45

圖 3.6 為圖 3.5 中之箭號 6 的 EDX 分析

46

圖 3.7 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1Wt％V 之 SEM (鑄態)

圖 3.8 為圖 3.7 中之箭號 9 的 EDX 分析

47

圖 3.9 為圖 3.7 中之箭號 10 的 EDX 分析

圖 3.10 (a) 母材 A201 鋁合金

48

圖 3.10(b) 為 A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr

圖 3.10(c) 為 A201 鋁合金添加 0.1wt％V

圖 3.10 分別為(a)母材 A201 鋁合金與(b) A201 鋁合金添加 0.1wt％Zr 及(c)A201 鋁合 金添加 0.1wt％V 等 3 種合金，經 T7 時效熱處理後拉伸破斷面之 SEM 形態

49

圖 3.11 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％Zr(鋯)之銲條金相

圖 3.12 為 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt％V(釩)之銲條金相

50

圖 3.13 氬銲機 TIG (Tungsten inert gas ) 銲補示意圖

圖 3.14 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％Zr 當銲條，TIG 銲補後熱影響區及銲道鑄態 金相圖

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圖 3.15 A201 鑄造用鋁合金添加 0.1wt.％V 當銲條，TIG 銲補後熱影響區及銲道鑄 態金相圖

圖 3.16 銲件之母材與銲道交界之鑄態金相圖（0.5﹪HF etch）

，左方為母材熱影響區部分，右方為銲道組織。