2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極氧化攪拌摩擦焊對(duì)接結(jié)構(gòu)件在熱帶島礁海洋大氣環(huán)境暴露初期的失效行為

潘嶠，駱晨，湯智慧，劉明，高蒙，孫志華，趙明亮

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

前言

應(yīng)用在飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)部位的2A97鋁合金具有強(qiáng)度高、剛度高、韌性好等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[1]。飛機(jī)在熱帶海洋大氣環(huán)境條件中長(zhǎng)期服役而產(chǎn)生的鋁合金結(jié)構(gòu)及表面防護(hù)體系的腐蝕失效問(wèn)題受到廣泛關(guān)注[2，3]。鋁合金焊接部位的焊縫及熱影響區(qū)由于晶粒相對(duì)粗大，存在元素偏析，往往成為易發(fā)生腐蝕的薄弱部位[4]。為此，業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)了多種表面處理方法用來(lái)改善鋁合金焊接件的表面狀況，以提高相關(guān)鋁合金材料及結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)能力[5，6]。硫酸陽(yáng)極氧化是一種目前普遍采用的鋁合金表面處理方法，可使鋁合金在酸性條件下形成一層致密的氧化膜層，從而起到阻擋外界腐蝕介質(zhì)接觸鋁合金基材的作用[7]。國(guó)內(nèi)外一些相關(guān)研究[8]表明鋁合金陽(yáng)極氧化膜的性質(zhì)在很大程度上受合金顯微組織的影響。鋁合金硫酸陽(yáng)極氧化膜在形成的同時(shí)又不斷溶解，在膜層中造成了一定的孔隙，成為外界腐蝕介質(zhì)進(jìn)入膜層內(nèi)部的微小通道[9]?，F(xiàn)有的關(guān)于鋁合金陽(yáng)極氧化的研究報(bào)道主要是關(guān)于陽(yáng)極氧化工藝參數(shù)的篩選[10]，以及陽(yáng)極氧化膜孔形貌特征變化分析等方面[11-13]。本工作以硫酸陽(yáng)極化2A97鋁合金攪拌摩擦焊對(duì)接結(jié)構(gòu)試樣件為研究對(duì)象，在某熱帶島礁開(kāi)展戶外暴露試驗(yàn)，通過(guò)宏觀形貌、微觀形貌、成分分析、電化學(xué)阻抗分析等方法，研究了其在某島礁海洋大氣環(huán)境自然暴露初期的變化規(guī)律與腐蝕失效行為。

1 材料及測(cè)試儀器

1.1 材料和試樣形式

試樣基體材料為2A97鋁合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）如下：Li 0.9～2.5，F(xiàn)e 0.15～0.2，Si 0.15～0.2，Cu 2.0～3.2，其他≤0.05，Al余量。采用攪拌摩擦焊制備成對(duì)接試樣，主軸轉(zhuǎn)速為約600 r/min，主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，焊接速度約為160 mm/min。隨后以硫酸陽(yáng)極化作為表面處理方式，制備成規(guī)格為50×110×1.2 mm的試樣，試樣尺寸及結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。焊接后樣品的宏觀照片如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)使用的主要儀器和設(shè)備

研究過(guò)程使用的主要儀器和設(shè)備情況如表1所示。

圖2 焊接件裸材試樣照片

表1 主要監(jiān)測(cè)儀器

表2 熱帶島礁環(huán)境參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 自然暴露試驗(yàn)

選取某熱帶島礁進(jìn)行戶外暴露試驗(yàn)，大氣環(huán)境參數(shù)如表2所示。試樣的焊核區(qū)有縫隙的一面朝南露天放置，放置方位與水平方向成45 °，具體要求參見(jiàn)GB/T 14165-2008。

圖3 試樣的宏觀照片

2.2 外觀記錄

利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)每周期取回的試樣拍攝不放大的宏觀照片。

2.3 微觀形貌分析

利用光學(xué)視頻顯微鏡對(duì)每周期取回的試樣拍攝放大100倍的微觀形貌照片。

2.4 SEM和EDS

使用SEM檢查試樣表面，比較分析各個(gè)試驗(yàn)周期后試樣典型部位的表面形貌變化情況。掃描電子顯微鏡拍攝參數(shù)設(shè)置為：入射電子束加載電壓為20 kV，工作距離約為10 mm，放大倍數(shù)為500倍。利用能譜（EDS）分析，獲取試樣表面化學(xué)成分分布的信息。

2.5 電化學(xué)阻抗（EIS）測(cè)試

電化學(xué)阻抗測(cè)試采用三電極體系，其中參比電極、輔助電極和工作電極分別為飽和甘汞電極（SCE）、鉑電極和2A97鋁合金基材。有效測(cè)試面積保持為1 cm2。測(cè)試開(kāi)始前，將試樣在浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5 %的NaCl溶液中10 ～20 min，待電位穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀變化分析

由圖3中2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣的宏觀照片信息可知，戶外暴露0.5年后，試樣表面顏色由淺褐色變?yōu)榛野咨缚p連接處、熱影響區(qū)以及非焊接部位均未觀察到明顯的變化，無(wú)明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積；戶外暴露1年后，試樣表面顏色無(wú)明顯改變，在焊縫連接處、熱影響區(qū)以及非焊接部位同樣均未觀察到明顯的變化，無(wú)明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積。

圖4 光學(xué)顯微鏡微觀照片

3.2 表面形貌及成分變化分析

圖4 為2A97鋁合金攪拌摩擦焊對(duì)接件硫酸陽(yáng)極化戶外暴露試樣的光學(xué)微觀照片（放大500倍）。初始試樣非焊接區(qū)呈現(xiàn)出硫酸陽(yáng)極化典型的多孔結(jié)構(gòu)，在熱影響區(qū)呈現(xiàn)出條紋狀的焊接形貌，在焊縫處形成了明顯的縫隙；戶外暴露0.5年后，試樣的非焊接區(qū)無(wú)明顯變化，而熱影響區(qū)的典型條紋狀形貌特征有所消散，焊縫周?chē)从^察到腐蝕產(chǎn)物堆積；戶外暴露1年后，試樣非焊接區(qū)整體形貌特征變化不明顯，但在局部區(qū)域可觀察到較為明顯的起伏不平和顏色變化，可推斷為硫酸陽(yáng)極化膜層的衰退，而在熱影響區(qū)仍可觀察到條紋狀的典型形貌，但在局部區(qū)域可觀察到少量缺陷（圈中所示），焊縫周?chē)植繀^(qū)域可觀察到明顯的顏色改變。

圖5 熱影響區(qū)SEM和EDS圖像

圖5 （a）、（b）和（c）分別為2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣熱影響區(qū)在初始狀態(tài)、經(jīng)過(guò)0.5年戶外暴露和經(jīng)過(guò)1年戶外暴露后的SEM和EDS圖像。由圖5（a）中信息可知，原始試樣熱影響區(qū)表面存在由硫酸陽(yáng)極氧化過(guò)程形成的多孔形貌以及由焊接過(guò)程形成的條紋狀形貌，試樣表面的主要元素Al、S呈均勻分布；由圖5（b）中信息可知，試樣在熱帶島礁大氣環(huán)境中暴露0.5年后，仍然可觀察到多孔形貌和條紋狀形貌，但條紋狀形貌特征有所弱化，且表面附著的雜質(zhì)數(shù)量明顯增多，試樣表面的主要元素Al、S仍然較為均勻地分布在表面；由圖5（c）中信息可知，試樣在熱帶島礁大氣環(huán)境中暴露1年后，總體形貌變化不明顯，但在局部區(qū)域中S元素的分布已呈現(xiàn)出較為明顯的差異。綜上所述，經(jīng)過(guò)1年戶外暴露試驗(yàn)后， 2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣熱影響區(qū)表面孔隙和缺陷增多，外界的雜質(zhì)容易殘留在表面的孔隙形貌中，但暫未形成腐蝕區(qū)域。

3.3 電化學(xué)行為分析

圖6（a）為2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣熱影響區(qū)經(jīng)歷戶外暴露試驗(yàn)后的Bode曲線圖。由圖6（a）可知，隨著測(cè)試時(shí)間的增加，試樣在測(cè)試電信號(hào)頻率為0.01 Hz處的阻抗模值逐漸減小[14]，其中0.5年后的阻抗模值由初始的2.08×106Ω下降為7.34×105Ω，1年后降低為5.51×105Ω。

圖6（b）為2A97鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣熱影響區(qū)經(jīng)歷戶外暴露試驗(yàn)后的Nyquist曲線圖。由圖6（b）可知，初始試樣在低頻區(qū)阻抗虛部隨著電信號(hào)頻率降低，以及測(cè)試時(shí)間的增加而逐漸增大；在同一測(cè)試頻率下，經(jīng)歷不同暴露時(shí)間試樣的阻抗實(shí)部和虛部均不相同，且暴露時(shí)間越長(zhǎng)，其數(shù)值相對(duì)更低，即容抗弧初始位置對(duì)應(yīng)的阻抗值相對(duì)更小。由此說(shuō)明，經(jīng)歷戶外暴露試驗(yàn)后，被檢測(cè)區(qū)域的陽(yáng)極氧化膜層的防護(hù)效果有所褪化，使得電解液可通過(guò)氧化膜表面缺陷擴(kuò)散到內(nèi)部并與基材接觸，從而形成了電流通路。Bode曲線圖和Nyquist曲線圖的特征與試樣的形貌特征相吻合。

4 結(jié)論

1）2A97 鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣在熱帶島礁大氣環(huán)境暴露初期熱影響區(qū)局部區(qū)域孔隙和缺陷增加，成為雜質(zhì)元素的聚集區(qū)。

2）2A97 鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣在熱帶島礁大氣環(huán)境暴露初期的電化學(xué)阻抗隨著戶外暴露時(shí)間的增加而呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不明顯。

圖6 電化學(xué)阻抗曲線

3）2A97 鋁合金硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊對(duì)接試樣在熱帶島礁大氣環(huán)境中可能存在的腐蝕失效模式主要為母材區(qū)的點(diǎn)蝕、熱影響區(qū)的剝蝕以及焊核縫隙區(qū)的縫隙腐蝕。