A6061-T6鋁合金焊接接頭腐蝕行為

薛海峰，趙佳佳，云中煌，火巧英，朱忠尹，祝鵬飛

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京210031；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

A6061-T6鋁合金是軌道車輛制造的常用材料，為了減輕質(zhì)量，鋁合金材料通常制造為型材，表皮板厚度2～3mm。軌道車輛在線路運(yùn)行時(shí)會(huì)受到環(huán)境影響，例如運(yùn)行于沿海鹽霧環(huán)境、地下潮濕環(huán)境等，空氣中的Cl-、SO42-、NO3-等離子會(huì)對(duì)車輛鋁合金本體造成一定的破壞，從而在材料表面形成腐蝕痕跡，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此有必要對(duì)軌道車輛常用的鋁合金材料及接頭開展腐蝕行為研究[1-4]。

在此以軌道車輛常用的A6061-T6鋁合金焊接接頭為研究對(duì)象，在人造氣氛鹽霧腐蝕環(huán)境中進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)研究，測(cè)試試件的腐蝕失重和宏觀形貌。同時(shí)采用控制電位法（線性伏安掃描法）測(cè)量試樣的極化曲線，研究A6061-T6鋁合金焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能。

1 試驗(yàn)結(jié)果和討論

1.1 焊接接頭在中性鹽霧中的腐蝕行為

試驗(yàn)按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行。試驗(yàn)前對(duì)焊接接頭試樣進(jìn)行編號(hào)，并在邊緣上打直徑為8mm的小孔；機(jī)械拋光后用丙酮清洗試樣表面，然后用蒸餾水洗凈吹干，測(cè)量表面積，并用FA1004型精密天平測(cè)量試樣初始質(zhì)量，精確至小數(shù)點(diǎn)后4位；最后將試樣放入GP/YWP90型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，如圖1所示，試樣受檢驗(yàn)表面與垂直方向成30°角，焊接接頭試樣的焊縫正面朝上。試驗(yàn)鹽溶液濃度為50±5 g/L，用去離子蒸餾水配制，pH范圍為6.5～7.2，試驗(yàn)時(shí)鹽霧箱內(nèi)溫度恒定在35±1℃，飽和器溫度為40℃，采用連續(xù)噴霧方式，噴霧壓力0.09MPa，確認(rèn)鹽霧收集速度和條件在規(guī)定范圍內(nèi)（24～48ml/24 h）后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間分別為 7 d、14 d、28 d、56 d、112 d，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取3個(gè)平行樣。

圖1 鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱

在預(yù)定時(shí)間取出試樣，用去離子水漂洗試樣表面并吹干；拍攝腐蝕宏觀形貌，然后根據(jù)HB 5257-83標(biāo)準(zhǔn)清除腐蝕產(chǎn)物，多次清洗試樣直至最后兩次試樣質(zhì)量基本一致；最后用FA1004型精密天平測(cè)量試樣質(zhì)量，精確至小數(shù)點(diǎn)后4位。

不同腐蝕時(shí)間的焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。焊接接頭的失重曲線如圖3所示?？梢钥闯觯诟g初期，試樣的失重呈快速增長趨勢(shì)，在14 d時(shí)達(dá)到最大，然后隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)一步延長，失重逐漸減小，呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。

試樣在腐蝕試驗(yàn)前均經(jīng)過打磨，其表面氧化層被破壞，因此腐蝕初期在NaCl作用下，腐蝕很快發(fā)生，Al快速反應(yīng)成為Al3+溶解，導(dǎo)致試樣失重。隨著腐蝕時(shí)間的延長，腐蝕產(chǎn)物在試樣表面堆積越來越多，使得腐蝕介質(zhì)滲入到鋁合金內(nèi)部的阻力越來越大，從而產(chǎn)生位阻效應(yīng)（分子中某些原子或基團(tuán)彼此接近而引起的空間阻礙和偏離正常鍵角而引起的分子內(nèi)的張力），阻礙腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，導(dǎo)致失重逐漸減緩。

圖3 A6061-T6焊接接頭在中性鹽霧環(huán)境中的失重曲線

1.2 焊接接頭的電化學(xué)腐蝕性能

用DK7750型數(shù)控電火花線切割機(jī)在A6061-T6焊接接頭的焊縫（WZ）、母材（BM）區(qū)域分別切取尺寸10mm×10mm的試樣（焊縫的取樣原則是盡量取焊縫中間區(qū)域）。在試樣背面用電烙鐵錫焊電極導(dǎo)線，然后用硅橡膠封樣試樣除工作面外的其他表面，依次用 400#、600#、1000#、1500#、2500#砂紙打磨暴露的工作表面。電化學(xué)測(cè)試儀器為微機(jī)控制型LK-98A型電化學(xué)分析儀，采用常規(guī)的三電極法體系，工作電極為試樣、參比電極為甘汞飽和氯化鉀溶液電極（SCE）、輔助電極為金屬鉑片電極，電解質(zhì)溶液分別為去離子蒸餾水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3化學(xué)分析純?nèi)芤?，測(cè)試溫度35±1℃，電位掃描范圍-1 200～400mV，掃描速度3mV/s。為了克服可能產(chǎn)生的濃差極化，用磁力攪拌器攪拌測(cè)定腐蝕液。試驗(yàn)開始前先將試樣在溶液中浸泡5min，使腐蝕溶液均勻、穩(wěn)定地浸入試樣被測(cè)表面。

根據(jù)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程，評(píng)價(jià)一個(gè)電化學(xué)體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有：腐蝕電位Ecorr、腐蝕速度 Icorr、陰陽極塔菲爾斜率 bc、ba、法拉第電阻 Rp、陰陽極的傳遞系數(shù)αc、βa等。本研究主要通過極化曲線測(cè)試獲得腐蝕電位Ecorr、腐蝕速度Icorr、陽極塔菲爾斜率ba、陽極傳遞系數(shù)βa來評(píng)價(jià)A6061-T6焊接接頭在不同腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕性能。

圖2 A6061-T6焊接接頭宏觀腐蝕形貌

當(dāng)處于強(qiáng)極化區(qū)時(shí)，腐蝕金屬電極的實(shí)驗(yàn)曲線與其局部陽、陰極理論極化曲線近似重合可得

式中 Ia和Ic分別為外加陽極電流密度和外加陰極電流密度。

由式（1）和式（2）可知，在強(qiáng)極化情況下，極化電位與外加電流的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)直線關(guān)系，其中直線的斜率即為陰陽極塔菲爾斜率bc、ba，因此在該區(qū)域取2個(gè)點(diǎn)即可求出該直線的斜率。當(dāng)式（1）和式（2）相等時(shí)，有Ia=Ic=ik，因此，陰陽極極化曲線的塔菲爾直線段的延長線應(yīng)與ε=Ecorr處相交，交點(diǎn)即為該體系的自然腐蝕電流密度Icorr，該方法叫做極化曲線外延法，如圖4所示。

圖4 極化曲線外延法求bc、ba和Icorr

陰陽極的傳遞系數(shù)αc、βa與陰陽極的塔菲爾斜率有關(guān)，可表示為

式中R為氣體常數(shù)[8.314 J/（mol·K）]；T為反應(yīng)絕對(duì)溫度（單位：K）；F 為法拉第常數(shù)（96500C/mol）；n為電極反應(yīng)速度控制步驟的得失電子數(shù)或溶解金屬離子的價(jià)數(shù)。

由式（3）可知，當(dāng)陽極傳遞系數(shù)越大時(shí)，陽極反應(yīng)活化能降低得越多，反應(yīng)速度增加越快。

試驗(yàn)所測(cè)和計(jì)算所得的A6061-T6母材及焊縫的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 A6061-T6母材和焊縫的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)

自腐蝕電位Ecorr是熱力學(xué)概念，是一個(gè)特定的腐蝕體系在沒有其他外加電流情況下測(cè)得的金屬電位，反映腐蝕發(fā)生的難易程度。Ecorr值越負(fù)，腐蝕傾向越大；其值越正，腐蝕傾向越小。而自腐蝕電流Icorr則是動(dòng)力學(xué)概念，它表征金屬在發(fā)生腐蝕后腐蝕進(jìn)行的快慢，Icorr越大腐蝕速度越快，金屬材料的耐蝕性越差，Icorr越小腐蝕速度越慢，材料的耐蝕性就越好。

由表1還可知，母材的塔菲爾斜率ba大于焊縫，陽極傳遞系數(shù)βa小于焊縫。陽極傳遞系數(shù)越大，塔菲爾斜率越小，材料的耐蝕性越差，說明焊縫的耐蝕性差。

A6061-T6的母材、焊縫和熱影響區(qū)在5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的極化曲線如圖5～圖7所示。A6061-T6 的焊縫在 5%的 NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的Ecorr均比母材的更正，表明焊縫發(fā)生腐蝕的傾向大于母材；A6061-T6的焊縫在5%的NaCl、NaNO3溶液中的Icorr均大于母材，表明在這兩種介質(zhì)中焊縫的腐蝕速率大于母材；在5%的Na2SO4溶液中，A6061-T6母材的Icorr小于焊縫，表明在Na2SO4介質(zhì)中A6061-T6母材的腐蝕速率大于焊縫。

圖5 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在5%NaCl溶液中的極化曲線

圖6 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在5%Na2SO4溶液中的極化曲線

圖 7 A6061-T6母材（BM）和焊縫（WZ）在 5%NaNO3溶液中的極化曲線

A6061-T6鋁合金和ER5356焊絲化學(xué)成分如表2所示。ER5356焊絲的w（Mg）遠(yuǎn)高于A6061-T6母材，Mg是活潑元素，在A6061-T6中主要以Mg2Si相從基體中析出成為強(qiáng)化相，其電極電位（-0.91V）低于Al基體電位（-0.85 V），相對(duì)于鋁基體作為陽極而優(yōu)先腐蝕。在A6061-T6焊接接頭中焊縫中的w（Mg）高于母材，導(dǎo)致其耐腐蝕性低于母材。此外，焊絲中的Mg/Si為18～22，Mg2Si強(qiáng)化相中的Mg/Si為1.73，為保證合金的耐腐蝕性，Al-Mg-Si合金中的Mg/Si一般不大于1.73，Mg含量過剩將會(huì)導(dǎo)致Mg2Si相的粗化和析出，從而降低合金的耐腐蝕性。焊絲中的Mg/Si遠(yuǎn)大于1.73，大量的過剩Mg大大降低焊縫的耐腐蝕性能。

表2 A6061-T6鋁合金和ER5356焊絲的化學(xué)成分%

2 結(jié)論

（1）腐蝕失重速率先快速增長，在14 d時(shí)達(dá)到最大，然后隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)一步延長，失重逐漸減小，呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢(shì)。

（2）焊縫在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl、Na2SO4、NaNO3溶液中的自腐蝕電位Ecorr比母材的更負(fù)，而自腐蝕電流Icorr大于母材。

（3）母材和焊縫在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同腐蝕溶液中的自腐蝕電位隨Cl-、SO42-、NO3-順序依次變正，而自腐蝕電流隨 Cl-、SO42-、NO3-順序依次變小。SO42-對(duì)鋁合金的腐蝕加速作用弱于Cl-，強(qiáng)于NO3-。

[1]Godard H P，Jepson W B，Bothwell M R，et al.Corrosion of LightMetals[M].New York：JohnWiley&Sons Inc，1967.

[2]Asaro R J，TillerW A.Interface Morphology Development during Stress Corrosion Cracking：Part I.Via Surface Diffusion[J].MetallurgicalTransactions，1972，3（7）：1789-1796.

[3]JoséR Galvele.A Stress Corrosion Cracking Mechanism Based on Surface Mobility[J].Corrosion Science，1987，27（1）：1-33.

[4]Guoqing Gou，Jia Chen，ZhiruiWang，etal.StressCorrosion Cracking Behavior of 4.19%Zn-1.34%Mg（A7N01S-T5）Aluminum AlloyWelded Joints[J].Corrosion，2016，72（9）：1133-1145.