鎂合金焊接接頭耐腐蝕性能研究現(xiàn)狀

崔建紅，吳志生，弓曉園

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 前 言

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，密度為1.75～1.85g/cm3，是目前密度最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，因其極佳的綜合性能享有“21世紀(jì)的綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”的美稱[1～2]。但是鎂合金的平衡電位為-2.7V，化學(xué)活性很高，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。鎂合金表面形成的氧化膜疏松多孔，在大氣、海洋等環(huán)境下對基體的保護(hù)能力差。鎂合金中含有雜質(zhì)元素及合金元素，在使用過程中易產(chǎn)生電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕或疲勞腐蝕等[3]。鎂合金表面的氧化膜多孔疏松，對基體沒有良好的腐蝕保護(hù)作用[4]。焊接后鎂合金由于其性質(zhì)活潑、熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)使其在焊接過程中更易出現(xiàn)粗晶，形成低熔共晶體，與其他金屬，同時產(chǎn)生熱裂紋、熱應(yīng)力、氣孔、蒸發(fā)、夾渣等問題[5]，這些缺陷易誘發(fā)或者加速鎂合金焊接接頭腐蝕。鎂合金焊接接頭腐蝕是金屬結(jié)構(gòu)失效的形式之一，隨著鎂合金結(jié)構(gòu)件的增加，接頭腐蝕引起更多的研究。本文對鎂合金焊接接頭腐蝕性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，針對鎂合金焊接接頭腐蝕性能研究存在的問題與不足提出一些看法，并提出了進(jìn)一步研究的建議。

1 鎂合金焊接接頭腐蝕性能國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Rong-Chang Zeng等[6]人開展了AM50鎂合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕行為的研究。研究發(fā)現(xiàn)鎂合金焊接后，由于焊接接頭中發(fā)生晶粒細(xì)化，導(dǎo)致接頭的腐蝕速率由95.1μA/cm2下降到22.2 μA/cm2，而電位則由-1553mV上升到-1520mV。焊接后，接頭的耐腐蝕性能發(fā)生了明顯上升。研究認(rèn)為接頭內(nèi)部晶粒細(xì)化對于接頭耐腐蝕性能的提高起到了決定性作用。

Bernhard Wielage等[7]人在鎂合金-鎂合金釬焊接頭腐蝕行為的研究中，研究了采用Mg-A1-Zn作為釬料進(jìn)行焊接的AZ31-AZ31鎂合金接頭的腐蝕行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接接頭中間層主要由ZnMg,Mg5Zn2A12, Mg32(Zn,AI)49或MgZn2等組成，盡管這些相的腐蝕電位都比鎂合金基體高，但是這些新相與鎂合金保持了較好的電化學(xué)相容性。此外，陽極與陰極面積比相對合適(大陽極小陰極)，所以鎂合金-鎂合金釬焊后，接頭腐蝕行為變化不大。

G.Ben-Hamu等[8]研究了AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊接后接頭組織變化與腐蝕行為之間的關(guān)系。采用焊接電壓為8～11 V，脈沖電流為140A(100 ms)高電流，60A ( 200ms)低電流，焊接速度為4.0mm/s。焊接后，焊縫的晶粒尺寸由原來的8.12±3.22μm增加到111.27±38.01μm，同時焊接接頭中出現(xiàn)了陰極相偏析現(xiàn)象。結(jié)果導(dǎo)致熱影響區(qū)的電流密度由35.54μA /cm2增加到36.52μA /cm2，而焊縫電流密度則增加的更為明顯，達(dá)到了74.64μA /cm2。氬弧焊焊接后，鎂合金焊縫以及熱影響區(qū)中的偏析相與接頭的腐蝕行為有著密切的關(guān)系。

M.Ishak等[9]分別研究了添加和未添加銀納米微粒材料的鎂合金AZ31B激光焊搭接接頭的腐蝕行為。采用YAG激光焊接速度為550mm/s。焊接后，添加和未添加銀納米微粒材料的焊接接頭均出現(xiàn)了晶粒細(xì)化的現(xiàn)象。激光焊接后，鎂合金接頭的腐蝕速率下降到母材的44%，而添加銀納米微粒材料后，腐蝕速率進(jìn)一步下降到27%。研究認(rèn)為，晶粒細(xì)化和晶界上的相起到阻礙接頭腐蝕擴(kuò)展的作用；而添加銀納米微粒材料的焊接接頭，由于粒子的彌散作用，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，因而進(jìn)一步降低鎂固溶體的陽極化現(xiàn)象，結(jié)果使焊接接頭耐腐蝕性能進(jìn)一步提高。

馬穎等[10]人對6 mm厚的AZ31B板材攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行微弧氧化處理，研究焊縫的微觀組織和微弧氧化前后的耐蝕性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接頭的微觀組織明顯分為3個區(qū)域：焊核區(qū)、熱機(jī)械影響區(qū)及熱影響區(qū)，整個組織極不均勻，各組織內(nèi)晶粒差別較大，其中焊核區(qū)晶粒最細(xì)小。鹽水浸泡實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)測試可知，微弧氧化處理前焊縫的耐蝕性比母材差，微弧氧化處理后，焊縫耐蝕性極大提高。攪拌摩擦焊焊接接頭組織比母材細(xì)小，雜質(zhì)和夾雜也都被攪碎并彌散分布，且沒有了雜質(zhì)和夾雜的阻礙，氧化膜生長更容易，微弧氧化膜厚度要明顯高于母材的微弧氧化膜厚度。

趙紅凱等[11]人研究了AZ31B鎂合金變極性等離子弧加絲焊接組織及腐蝕行為。實(shí)驗(yàn)采用了8mm厚AZ31B鎂合金軋制態(tài)板材和直徑為2mm AZ31B鎂合金焊絲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)有細(xì)小的等軸晶組成，與母材晶粒大小相當(dāng)，無明顯的晶粒長大跡象，沒有出現(xiàn)過熱組織，過渡區(qū)組織呈現(xiàn)出母材和焊縫的混合特征。鹽霧試驗(yàn)48h以后試樣清洗掉腐蝕產(chǎn)物后的腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)母材腐蝕坑的數(shù)目要多于焊縫區(qū)域腐蝕坑的數(shù)目，并且腐蝕坑更大更深。中間焊縫區(qū)的腐蝕狀況明顯好于兩側(cè)母材的腐蝕，可見鎂合金變極性等離子焊縫的耐蝕性強(qiáng)于母材。

葛茂忠等[12]人對AZ31鎂合金TIG焊接件應(yīng)力腐蝕性能進(jìn)行了研究，測試鎂合金母材及焊接件熱影響區(qū)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%溶液中的動電位極化曲線，母材的自腐蝕電位和腐蝕電流分別為-1.459V、1.721×10-8A /cm3，焊接件熱影響區(qū)的自腐蝕電位和腐蝕電流分別為-1.486V、2.434×10-8A /cm3，可知焊接后AZ31B鎂合金焊接件在3.5%氯化鈉溶液中的腐蝕傾向?qū)⒂兴龃?。鎂合金焊接件應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后熱影響區(qū)出現(xiàn)了許多微裂紋，裂紋橫向擴(kuò)展，并很快連接在一起，形成大的裂紋而斷裂。AZ31B焊接件在去離子水中具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。

P.B.SRINIVASAN 等人[13]研究了AZ31鎂合金激光自熔焊件的力學(xué)性能和應(yīng)力腐蝕行為。腐蝕試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)母材的抗應(yīng)力腐蝕性能比焊接接頭略好。應(yīng)力腐蝕裂紋從焊縫萌生，向熱影響區(qū)擴(kuò)展。用AZ61鎂合金作為填料的焊接接頭裂紋在熱影響區(qū)萌生與擴(kuò)展，由于鋁含量增加焊縫強(qiáng)度和耐腐蝕性能提高，慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋在氫氧化鎂／氧化鎂層形成局部損傷處生成。兩種焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能比母材略差?？捎^察到應(yīng)力腐蝕裂紋在焊縫萌生并向熱影響區(qū)(HAZ)擴(kuò)展。然而，在以AZ61鎂合金為填料(焊料)獲得的焊接接頭中，觀察到裂紋起源及擴(kuò)展出現(xiàn)在熱影響區(qū)(HAZ)。在慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)中，由于試樣表面暴露在腐蝕環(huán)境中，氫氧化鎂／氧化鎂層形成局部損傷，從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的生成。

由上可知，鎂合金的焊接工藝不同時，焊接接頭的組織不同，耐腐蝕性能也不同，焊縫中的填充材料影響鎂合金焊接接頭的耐腐蝕性能。

2 焊接接頭腐蝕機(jī)理與改善

鎂合金本身電極電位低，易腐蝕，在焊接后微觀組織發(fā)生、接頭成分發(fā)生變化，使得接頭的腐蝕機(jī)制變得復(fù)雜。接頭組織中主要有α基體相和晶界處的β相，β相既可以阻礙鎂合金的腐蝕，也可以充當(dāng)陰極而加速鎂合金的腐蝕。當(dāng)β相在鎂合金焊接接頭中含量增加并彌散分布在基體時，α基體相開始腐蝕后生成比較致密的氧化膜層，該膜層阻礙了腐蝕的進(jìn)展；β相不呈網(wǎng)狀分布時，β相就充當(dāng)陰極加速鎂合金的腐蝕。吳志生等人[14]開展了深冷處理對AZ31鎂合金耐腐蝕影響的研究，采用合適的深冷處理工藝可以使晶粒細(xì)化，改善第二相的分布，控制第二相的含量，可以提高鎂合金的耐腐蝕性能。

鎂合金焊接件在受到外加應(yīng)力和殘余應(yīng)力時發(fā)生塑性變形，在接頭微小區(qū)域產(chǎn)生滑移臺階，滑移臺階的高度大于鎂合金焊接件表面鈍化膜的厚度后鈍化膜破裂，在腐蝕介質(zhì)中鈍化膜金屬與母體金屬形成電化學(xué)反應(yīng)的陰陽極，腐蝕微電池在陽極附近迅速溶解形成蝕坑，應(yīng)力促進(jìn)微電池反應(yīng)最終形成應(yīng)力腐蝕開裂?？稍诤缚p區(qū)的表面形成納米強(qiáng)化層，減少表面的滑移帶和晶界以及晶界上的位錯塞積所引起的應(yīng)力集中，消除表面各種缺陷，有利于耐腐蝕性能的提高[15]。

稀土元素加入鎂合金后可以細(xì)化α基體相和晶界處的β相，較小面積的陰極β相與鎂合金中雜質(zhì)結(jié)合，雜質(zhì)降低的陰極極性使得電化學(xué)反應(yīng)減慢，接頭耐腐蝕性能提高。稀土加入鎂合金后，容易與氧在鎂合金表面生成致密的稀土氧化物，該化合物化學(xué)性質(zhì)不活潑，在鎂合金表面可以起到鈍化作用，有利于耐腐蝕性能提高；含有稀土的鎂合金在腐蝕過程中腐蝕電流減小，容抗增加，電阻增大，陰極β相析氫變得困難，耐腐蝕性能提高。基于此，可以研制含有稀土鎂合金的鎂合金焊絲，改善焊縫組織，提高焊接接頭耐腐蝕性能。

3 結(jié) 論

目前盡管鎂合金的耐腐蝕性能研究的比較成熟，但是對鎂合金焊接接頭耐腐蝕性的研究報道不多，鎂合金焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)及其腐蝕機(jī)制之間的關(guān)系沒有系統(tǒng)化，沒有形成成熟的腐蝕理論。由于鎂合金本身具有性質(zhì)活潑、導(dǎo)熱快、熔點(diǎn)低、熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，接頭熱影響區(qū)會發(fā)生晶粒粗大，接頭組織中不可避免會出現(xiàn)夾雜和氣孔等缺陷，這些缺陷與接頭不同組織對腐蝕過程的影響研究的很少。

鎂合金焊接接頭在腐蝕過程中涉及腐蝕介質(zhì)、溫度以及溶液的酸堿性，甚至焊接接頭本身的應(yīng)力，使得接頭的腐蝕研究復(fù)雜化，嚴(yán)重影響腐蝕數(shù)據(jù)的可靠性能與準(zhǔn)確性。掌握接頭各種情況下的腐蝕數(shù)據(jù)，有利于建立復(fù)雜情況下腐蝕數(shù)據(jù)庫。

鎂合金焊接件作為結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是鎂合金焊接接頭耐腐蝕性能的研究還處在起始階段?，F(xiàn)在許多鎂合金焊接接頭耐腐蝕性的研究都是基于鎂合金腐蝕的研究，研究成果沒有實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新成果。焊接接頭采取的改善措施類似于鎂合金的改善措施，在耐腐蝕性能的提升上有局限性。由于接頭位置的特殊性，適應(yīng)于鎂合金接頭表面激光處理、離子注入的先進(jìn)表面處理技術(shù)沒有大量的采用，接頭表面微晶化和納米化在提高耐腐蝕性能方面也鮮有報道。隨著科技的發(fā)展，除了通過改變焊接接頭組織提高鎂合金焊接接頭耐腐蝕性以外，可以采用高效、無毒、無污染的各種表面技術(shù)來提高鎂合金焊接接頭的耐腐蝕性能，如表面復(fù)合納米化、激光重熔等。

[1]劉靜安.鎂合金加工技術(shù)發(fā)展趨勢與開發(fā)應(yīng)用前景[J].四川有色金屬.2005(4):1-10

[2]楊媛，李加強(qiáng)，宋宏寶.鎂合金的應(yīng)用及其成形技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].熱加加工工藝，2013，42(8):24-27

[3]陳建.鎂合金表面防腐蝕方法的研究進(jìn)展[N].廊坊師范學(xué)院學(xué)報，2013,13(2):72-75

[4]許越，陳湘，呂祖舜，等.鎂合金表面的腐蝕特性及其防護(hù)技術(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001, 33 ( 6) :753

[5]馮吉才，王亞榮，張忠典.鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報，2005,15(2):166-177

[6]Zeng R C，Chen J，Dietzel W，et al.Corrosion of friction stir welded magnesium alloy AM50[J].Corrosion Science,2009,51:1738-1746

[7]Wielage B，Mucklich S，Grund T.Corrosion behaviour of soldered joints of magnesium alloys and dissimilar materials[J].Microchim Acta,2007,156:151-155

[8]Ben-Hamu G，Eliezer D，Cross C E，et al.The relation between microstructure and corrosion behavior of GTA welded AZ31B magnesium sheet Mate [J].Materials Science and Engineering A,2007,452:210-218

[9]Ishak M, Yamasaki K, Maekawa K.Microstructure and Corrosion Behavior of Laser Welded Magnesium Alloys with Silver Nanoparticles [J].World Academy of Science, Engineering and Technology,2010,70:354-358

[10]馬穎，李偉榮.微弧氧化處理提高AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊焊縫的耐蝕性[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2012,38(4):5-8

[11]趙紅凱，肖鋒，楊旭，等.AZ31B鎂合金變極性等離子弧加絲焊接組織及腐蝕行為[J].焊接技術(shù)，2011，40(8)：22-24

[12]葛茂忠，項建云，張永康.AZ31鎂合金TIG焊接件應(yīng)力腐蝕性能研究[J].材料導(dǎo)報，2012,27(2)：40-48

[13]P.B.SRINIVASAN，S.RIEKEHR，C.BLAWERT et al.Mechanical properties and stress corrosion cracking behaviour of AZ31 magnesium alloy laser weldments[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011,21(1)，1-8

[14]吳志生，弓曉園，趙菲，等.深冷處理時間對AZ31 鎂合金耐蝕性的影響[J].焊接技術(shù)，2013,42(1)：7-9

[15]于影霞，何柏林.鎂合金焊接接頭表面自納米化及其疲勞性能研究現(xiàn)狀與展望[J].材料導(dǎo)報，2013，27(17)：121-124