高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕防護(hù)研究進(jìn)展

李文亞　李娜　傅田　張志函

摘要：攪拌摩擦焊被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域的高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接，由于高強(qiáng)鋁合金接頭的抗腐蝕性能較差，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，實際應(yīng)用中必須對接頭進(jìn)行腐蝕防護(hù)。文中詳細(xì)綜述了目前高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭的四種腐蝕防護(hù)方法：降低熱量輸入、焊后熱處理、表面改性和噴涂涂層，指出了高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕防護(hù)今后的研究方向。 關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；高強(qiáng)鋁合金；腐蝕防護(hù) 中圖分類號：TGl74.4

0.前言

攪拌摩擦焊作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的固相連接方法，可以避免熔化焊接過程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋、偏析等缺陷，有效提高接頭的力學(xué)性能?；诖?，攪拌摩擦焊（FSW）現(xiàn)己被廣泛用于航空、航天、船舶、陸路交通等重要領(lǐng)域的高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)件（如機(jī)身壁板、船體甲板等）的焊接。有些焊接結(jié)構(gòu)件長期在惡劣的腐蝕環(huán)境下服役，接頭抗腐蝕性是評價其使用性能的重要指標(biāo)之一。然而，大量的研究表明高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗腐蝕性能較差。究其原因，在鋁合金板材軋制過程中通常會在合金上下表面包覆純鋁使其形成50-100um的包鋁層來防止合金遭受腐蝕，但在攪拌摩擦焊過程中，劇烈的機(jī)械攪拌作用將使高強(qiáng)鋁合金的包鋁層完全破壞，導(dǎo)致接頭失去腐蝕保護(hù)。此外，焊后在接頭中還會存在殘余拉應(yīng)力，影響接頭的服役性能，尤其是會降低其腐蝕性能和疲勞性能。因此，在實際工業(yè)應(yīng)用中必須對這些接頭進(jìn)行防腐處理以提高其服役壽命。

部分學(xué)者針對鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕行為進(jìn)行了大量研究，試圖找出最佳的腐蝕防護(hù)方法并揭示其機(jī)理。相關(guān)研究表明，降低焊接過程熱輸入、焊后熱處理、表面改性（如激光表面熔化、微弧氧化）以及噴涂方法（如熱噴涂、冷噴涂）制備的防護(hù)涂層均能一定程度上改善接頭的抗腐蝕性能，但在實際工業(yè)應(yīng)用中，尚存在一定的問題與挑戰(zhàn)。

1.提高攪拌摩擦焊接頭耐蝕性的方法

1.1降低焊接過程熱輸入

相關(guān)研究表明，一方面，改變攪拌頭尺寸，調(diào)整焊接工藝參數(shù)可在一定程度上減小焊接熱輸入，從而減小腐蝕敏感區(qū)范圍；另一方面，在焊接過程中，采用循環(huán)水冷卻、水霧冷卻或低溫冷卻等方法也可有效減小腐蝕敏感區(qū)范圍?？刂坪附咏宇^的熱輸入狀態(tài)，可以改善接頭的顯微組織，一定程度上可以提高焊接接頭的耐蝕性能。

Esmaily等人對AA6005-T6鋁合金采用液氮冷卻的攪拌摩擦加工技術(shù)（FSP）在其焊核區(qū)（SZ）形成了超細(xì)晶，并對比了傳統(tǒng)的空冷FSP對SZ腐蝕性能的影響。得出了AA6005-T6接頭在相對濕度95%、溫度22°C的0.04%C02和70ug/cm²NaCl溶液中浸泡40天后的重量損失和點蝕情況，對比結(jié)果如圖1所示。由于液氮冷卻的FSP接頭晶粒被細(xì)化，所以其抗腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)空冷的接頭。然而，接頭殘余應(yīng)力以及晶粒大小梯度的存在，使得降低接頭熱輸入這一措施并不能完全避免接頭遭受腐蝕的危害。

1.2焊后熱處理

焊后熱處理是常用的提高攪拌摩擦焊接頭耐蝕性的方法，由于焊縫的沉淀相、金屬間化合物及其它微量元素對接頭的耐蝕性影響較大，焊后對接頭組織進(jìn)行勻質(zhì)化處理可以顯著提高接頭的耐蝕性。Paglia等人研究發(fā)現(xiàn)，對高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭在250-450°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行短時間焊后熱處理可以降低接頭組織對腐蝕的敏感性，從而提高接頭的耐蝕性。另外，高強(qiáng)鋁合金的腐蝕性能通常取決于母材與焊核區(qū)之問的“最薄弱區(qū)域”，采用火焰熱處理對AA7075-T651鋁合金和AA2219-T87鋁合金攪拌摩擦焊焊縫“最薄弱區(qū)域”進(jìn)行了局部熱處理。試驗結(jié)果表明，經(jīng)熱處理后，攪拌摩擦焊接頭的顯微組織更加均勻，抗腐蝕性能得到顯著提高。圖2比較了焊接態(tài)AA7075-O和熱處理態(tài)T745 1的攪拌摩擦焊接頭在NaCl和H₂O₂混合溶液中浸泡30min后的接頭橫截面腐蝕形貌，對比發(fā)現(xiàn)熱處理之后接頭橫截面白色腐蝕產(chǎn)物明顯減少，腐蝕程度降低。然而，通過這種方法得到的耐蝕性的提高往往伴隨著力學(xué)性能的下降，此外，熱處理耗時較長并且不能處理尺寸較大的結(jié)構(gòu)件。

1.3表面改性

1.3.1激光表面熔化

激光表面熔化速度高、能量密度大，可以在材料表面形成一層組織細(xì)化并且均勻的微層結(jié)構(gòu)，該技術(shù)能選擇性地處理工件表面，有利于在工件整體保持足夠的韌性和強(qiáng)度的同時，達(dá)到改善材料抗腐蝕性能的目的。

Kalita對AA2024-T35 1鋁合金攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行激光表面熔化處理，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊表層組織發(fā)生了均勻化和細(xì)化，其沉淀相及金屬間化合物完全溶解，接頭表面的點蝕形核門檻值提高。浸泡試驗結(jié)果表明經(jīng)激光處理后的表面未出現(xiàn)點蝕（a區(qū)域），未經(jīng)處理的表面出現(xiàn)了較大的點蝕坑（b區(qū)域），如圖3所示。然而，激光熔化過程的熱影響會導(dǎo)致不同區(qū)域的金屬離子發(fā)生溶解或富集，在激光掃描軌道邊緣發(fā)現(xiàn)Cu元素的富集和Al元素含量的降低。

激光表面處理雖然可以消除焊縫內(nèi)部的沉淀相從而提升接頭抗蝕性，但這種技術(shù)引起的元素富集將促進(jìn)局部的微電化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致近焊縫表面層發(fā)生腐蝕分層。Padovani等人。采用激光熔凝法分別對AA7449-T7951、AA2024-T351高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行腐蝕防護(hù)，浸泡試驗表明接頭表面抗點蝕性能提高，而近焊縫表面層（熱影響區(qū)和焊核區(qū)）發(fā)生腐蝕分層，降低了激光處理對接頭的腐蝕性能改善效果。

1.3.2微弧氧化

微弧氧化對攪拌摩擦焊接頭的表面防護(hù)是將接頭置于電解質(zhì)水溶液中，在高壓條件下發(fā)生等離子體增強(qiáng)的電化學(xué)反應(yīng)，在熱化學(xué)氧化、等離子體氧化和電化學(xué)氧化的共同作用下生成陶瓷層。該方法改善了焊接接頭的耐磨、耐蝕、耐熱沖擊性能，在航空、航天、機(jī)械、電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。

魯亮等人采用微弧氧化技術(shù)在AA5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面制備了陶瓷層，浸泡測試表明微弧氧化層陶瓷層未出現(xiàn)點蝕，表面仍然致密，可以有效的對攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行腐蝕防護(hù)。劉靖采用微弧氧化技術(shù)對7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行處理，并對其微弧氧化膜層腐蝕性能及力學(xué)性能進(jìn)行了測試與分析。結(jié)果表明，通過微弧氧化技術(shù)在攪拌摩擦焊接頭表面制備了具有陶瓷性質(zhì)的氧化膜能將焊縫與腐蝕介質(zhì)隔絕而提供腐蝕防護(hù)，在中性鹽霧試驗中，微弧氧化后焊接接頭的耐腐蝕性能較未經(jīng)微弧氧化處理的焊接接頭的耐腐蝕性能有很大提高；在應(yīng)力腐蝕試驗中，微弧氧化制備的陶瓷層在應(yīng)力腐蝕初期沒有觀察到腐蝕現(xiàn)象，即該陶瓷層能夠在應(yīng)力腐蝕初期對腐蝕液起到隔離作用，但在焊接接頭卻發(fā)現(xiàn)了龜裂紋，即微弧氧化制備的陶瓷層不能完全阻止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生；在拉伸試驗中，經(jīng)微弧氧化處理的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度小于未經(jīng)處理的焊接接頭，如圖4所示，對基體力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。微弧氧化技術(shù)還存在一些不足：生產(chǎn)過程中電解液消耗快，電解液冷卻困難，消耗功率大，且有噪音，對于高電壓還需要有漏電防護(hù)措施等；由于電解槽尺寸的限制，較難用于大型構(gòu)件的腐蝕防護(hù)。

1.4噴涂涂層

1.4.1熱噴涂涂層

自20世紀(jì)30年代，熱噴涂技術(shù)在防腐方面成功應(yīng)用以來，在腐蝕和防護(hù)領(lǐng)域里發(fā)揮著越來越大的作用，目前應(yīng)用于防腐的熱噴涂技術(shù)主要有火焰噴涂和電弧噴涂兩種，它們對基體的保護(hù)主要基于物理隔離和電化學(xué)保護(hù)雙重作用。根據(jù)目前對涂層防護(hù)技術(shù)的研究，熱噴涂制備的防護(hù)涂層能顯著提高基體的抗腐蝕性能，但其與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，氣孔率較高，需后處理（如封孔處理）。應(yīng)用合理的工藝手段，減少涂層表面及內(nèi)在的孔洞，隔離基體與腐蝕介質(zhì)，從而增強(qiáng)涂層的耐蝕性能，一般采用機(jī)械加工和熱處理的方式降低涂層的孔隙率。目前，熱噴涂技術(shù)制備的涂層主要應(yīng)用在合金表面的腐蝕防護(hù)領(lǐng)域，其在攪拌摩擦焊接頭的腐蝕防護(hù)應(yīng)用較少。

竹本斡男采用火焰噴涂技術(shù)在鋼柱表面制備了Zn-13A1涂層，經(jīng)過7年的海洋環(huán)境暴露腐蝕發(fā)現(xiàn)，封孔處理的涂層對基體的防護(hù)效果較好。Pardo等人測試分析了熱噴涂純鋁涂層對鎂鋁合金在3.5%NaCl溶液進(jìn)行腐蝕保護(hù)的效果，結(jié)果表明，熱噴涂純鋁涂層孔隙率高，防護(hù)效果較差。針對這一問題，對鋁涂層進(jìn)行冷壓后處理，發(fā)現(xiàn)涂層與基體的結(jié)合力增加，涂層孔隙率降低，增強(qiáng)了基體的抗腐蝕性能。圖5為在3.5%NaCl溶液中浸泡10天后，AZ31鎂鋁合金橫截面無涂層、熱噴鋁涂層、熱噴鋁涂層冷壓處理后的背散射掃描電鏡形貌，可以看出，冷壓處理降低了熱噴涂涂層的孔隙率，基體的抗腐蝕性能得到了顯著的改善。

1.4.2冷噴涂涂層

冷噴涂作為熱噴涂技術(shù)的重要拓展，利用高壓氣流加速粉末顆粒，通過固態(tài)顆粒的高速碰撞以及大的塑性變形，可以在基體表面形成致密涂層。隨著冷噴涂技術(shù)的進(jìn)步，推動了冷噴涂設(shè)備的研究與開發(fā)，促進(jìn)了冷噴涂涂層應(yīng)用的研究，較之熱噴涂制備的防腐涂層存在孔隙率高、易氧化、熱應(yīng)力大等缺陷，冷噴涂防腐涂層孔隙率低，殘余應(yīng)力小且以壓應(yīng)力為主，并且可以避免諸如氧化、相變等缺陷，其制備技術(shù)及其防腐性能越來越受到關(guān)注。

目前，己有科研機(jī)構(gòu)利用冷噴涂技術(shù)制備各種防腐涂層（主要為鋁基和鋅基涂層），對涂層的表面組織形貌、孔隙率、物相分析、結(jié)合強(qiáng)度、顯微硬度、耐磨性、沉積率及電化學(xué)性能等開展了全面的研究分析，研究表明，冷噴涂制備的鋁及鋁基復(fù)合材料涂層具有良好的腐蝕防護(hù)效果。目前Trahan和李文亞團(tuán)隊對其進(jìn)行了研究。Trahan采用冷噴涂制備AA7075、AA5083鋁合金及純鋁涂層對AA7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行防腐保護(hù)，試驗結(jié)果表明冷噴涂制備的純鋁涂層對攪拌摩擦焊接頭的腐蝕保護(hù)效果最佳，并在2013年國際熱噴涂大會上對該內(nèi)容做了相關(guān)研究報告。李文亞等人采用冷噴涂技術(shù)在AA2024鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面制備了純鋁涂層，結(jié)果表明涂層不僅顯著地提高了接頭的抗腐蝕性能，還改善了接頭的拉伸性能，抗拉強(qiáng)度提高了6.78%，斷后伸長率提高了58.4%，疲勞性能也明顯提高，如圖6所示。

2.總結(jié)與展望

攪拌摩擦焊的出現(xiàn)對連接技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用，而高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭耐蝕性較差，當(dāng)前的防護(hù)方法存在一定局限性，限制了其在攪拌摩擦焊接頭腐蝕防護(hù)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。因此探尋滿足攪拌摩擦焊接頭使用性能和相應(yīng)防護(hù)性能的工藝技術(shù)是急需解決的問題。文中詳述了高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭的幾種腐蝕防護(hù)方法：降低熱輸入、焊后熱處理、表面改性（激光熔化、微弧氧化等）、噴涂涂層（熱噴涂、冷噴涂）。前兩種方法可以改善接頭的耐蝕性，但由于接頭殘余應(yīng)力的存在、包鋁層的損失以及熱處理后增加的顯微組織梯度，不能完全避免接頭腐蝕的產(chǎn)生。后兩種腐蝕防護(hù)方法可以為攪拌摩擦焊接頭提供良好的防護(hù)效果，但也存在不足，例如，激光熔化會造成表面分層和元素濃度差異大，微弧氧化層的制備需要后處理，并且會導(dǎo)致接頭力學(xué)性能的下降等。

熱噴涂涂層經(jīng)后處理之后可以為攪拌摩擦焊接頭提供良好的腐蝕防護(hù)效果，但熱噴涂過程中產(chǎn)生較多的熱量輸入可導(dǎo)致接頭變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，冷噴涂的出現(xiàn)解決了之前防護(hù)方法存在的問題，是今后攪拌摩擦焊接頭防護(hù)的新方向。冷噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，殘余應(yīng)力小，改善了接頭的力學(xué)性能和組織性能，并且具有良好的腐蝕防護(hù)效果。然而，冷噴涂改善接頭力學(xué)性能的機(jī)制尚不清楚，基于目前冷噴涂技術(shù)及其涂層對攪拌摩擦焊接頭防腐的研究，如果能揭示冷噴涂工藝對高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律及強(qiáng)韌化的主導(dǎo)機(jī)制，將有望采用冷噴涂制備攪拌摩擦焊接頭防腐涂層，通過控制工藝參數(shù)（例如驅(qū)動氣體溫度、粒子速度和噴射距離），獲得基于冷噴涂腐蝕防護(hù)的高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的調(diào)控方法。