2024鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在EXCO溶液中的腐蝕行為

李 娜，叱培洲

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg高強(qiáng)鋁合金，具有良好的力學(xué)性能和高的比強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)工程領(lǐng)域，如飛機(jī)的薄壁管件、搭接蒙皮、翼梁等[1-2]。工業(yè)生產(chǎn)中常用熔化極惰性氣體保護(hù)焊、電子束焊、變極性等熔焊方法焊接高強(qiáng)鋁合金，但在焊后不可避免地出現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，嚴(yán)重制約了高強(qiáng)鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用[3]。攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)是一種新型的固相焊接方法，具有焊接過程簡單，焊縫金屬不發(fā)生熔化，無須保護(hù)氣體，不需填絲等優(yōu)勢，很大程度上避免了各種冶金缺陷的產(chǎn)生，接頭成形質(zhì)量好，自誕生以來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于焊接2×××系和7×××系高強(qiáng)鋁合金[4-5]。

然而，攪拌摩擦焊過程中劇烈的機(jī)械攪拌作用使高強(qiáng)鋁合金的包鋁層被破壞導(dǎo)致焊縫失去保護(hù)，焊縫中沉淀強(qiáng)化相尺寸與分布發(fā)生變化，接頭各區(qū)域組織差異較大，接頭耐蝕性低于母材的[6-8]。由于高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在服役過程中會經(jīng)歷不同環(huán)境的腐蝕，所表現(xiàn)的腐蝕行為不盡相同。最嚴(yán)重的是剝落腐蝕，該腐蝕類型是航空飛行器高強(qiáng)鋁合金攪拌焊結(jié)構(gòu)件的主要失效形式之一，遭受腐蝕后會導(dǎo)致材料強(qiáng)度和塑性大幅度降低，造成裝備性能退化嚴(yán)重，因此有必要針對2024高強(qiáng)鋁合金展開剝落腐蝕的研究工作[9-10]。

本試驗針對2024高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭，利用電化學(xué)測試技術(shù)，結(jié)合掃描電鏡，萬能拉伸機(jī)，較深入地研究了接頭不同區(qū)域在剝落腐蝕溶液(EXCO)中的腐蝕行為以及焊后力學(xué)性能的退化結(jié)果，為進(jìn)一步研究該合金攪拌焊接接頭在不同腐蝕環(huán)境下的耐蝕性提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方法

材料選用3.2 mm厚的2024-T3高強(qiáng)鋁合金板材，化學(xué)成分如表1所示。試樣尺寸為200 mm×100 mm×3.2 mm，長度方向200 mm為板材軋制方向，也是焊接方向。焊接是在北京賽福斯特公司制造的FSW-RL31-010型攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行平對接，旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min，焊接速度為250 mm/min，下壓量為0.2 mm，攪拌頭傾角2.5°。選用H13鋼攪拌頭，其中攪拌針長度3 mm，軸肩直徑10 mm，攪拌針選用錐形右旋螺紋攪拌針。

表1 2024-T3鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 2024-T3 aluminum alloy(wt/%)

剝落腐蝕試驗采用4mol/L NaCl+0.5mol/L KNO3+0.1mol/L HNO3(pH為4)的EXCO溶液，浸泡溫度和電化學(xué)測試溫度均保持室溫20℃，浸泡5 h后，將試樣沖洗后用濃硝酸浸泡30 s去除表面腐蝕產(chǎn)物，再采用掃描電鏡觀察接頭表面的腐蝕形貌。電化學(xué)測試采用三電極體系，試樣作為工作電極表面浸泡于EXCO溶液中，測試前試樣表面進(jìn)行打磨拋光并用無水酒精進(jìn)行清洗，鉑片作為輔助電極，帶有魯金毛細(xì)管的飽和甘汞電極作為參比電極，利用電化學(xué)工作站PRARSTATV4進(jìn)行測試，先測定試樣的開路電位，然后在測定塔菲爾極化曲線，電位掃描速率為0.167 mV/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 浸泡測試結(jié)果

2024-T3鋁合金攪拌摩擦焊接頭可以劃分為4個區(qū)域：焊核區(qū)(SZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)。由于接頭上表面的HAZ和TMAZ區(qū)域較小，故主要分析接頭上表面SZ和BM兩個區(qū)域的浸泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕結(jié)果。圖1為接頭SZ和BM在EXCO溶液中浸泡5h后的表面形貌SEM照片。由圖1可以看出，SZ和BM腐蝕特征差別較大。SZ腐蝕均勻且表現(xiàn)出剝落腐蝕的特征，SZ的局部放大圖可以看出腐蝕在第二相粒子起源，并且在其周圍形成較深的蝕坑，BM僅發(fā)生了輕微的點蝕。

圖2為SZ和BM浸泡腐蝕后橫截面光學(xué)鏡圖。可以看出，SZ呈現(xiàn)剝落腐蝕的特征，BM僅在較淺表面發(fā)生了局部點蝕。究其原因，主要是由于兩個區(qū)域經(jīng)歷的攪拌工具的熱力作用不同，導(dǎo)致其第二相粒子的尺寸和分布狀態(tài)不同，SZ中第二相粒子在攪拌工具的作用下被打碎細(xì)小彌散的分布在鋁基體中，而第二相粒子和鋁基體具有電位差，點蝕起源于第二相粒子與鋁基體的邊界處，且SZ中的S相(Al2CuMg)在攪拌針的熱作用下會發(fā)生長大，其中的Mg元素與鋁基體電位差較大，也會優(yōu)先發(fā)生腐蝕，隨著浸泡時間的延長，點蝕坑逐漸在橫向和縱深方向發(fā)展成剝落腐蝕。母材區(qū)保持了原始軋制狀態(tài)的組織，僅有少量盤狀的S相，點蝕形核起源少，因此其耐蝕性優(yōu)于SZ的。

2.2 電化學(xué)測試結(jié)果

電化學(xué)測試也是針對接頭上表面SZ和BM，圖3為2024-T3鋁合金FSW接頭SZ和BM在EXCO溶液中的Tafel腐蝕極化曲線(在極化曲線測試前先將試樣浸泡至開路電位穩(wěn)定)。Tafel曲線外推可以得到試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度等參數(shù)，如表2所示。SZ和BM在EXCO溶液中的腐蝕電位分別為-0.64 V、-0.62V。SZ和BM的Tafel曲線中的陰極斜率(βc=3.2、βc=20.32)高于其陽極斜率(βa=0.8、βa=10.20)，即SZ和BM在EXCO溶液中以陽極反應(yīng)為主。腐蝕電流密度與試樣在腐蝕液中的腐蝕速率成正比，用于評估耐蝕性的好壞。SZ在EXCO溶液中的腐蝕電流密度(icorr=259.22 mA/cm2)明顯高于BM的(icorr=22.35 mA/cm2)，即BM的耐蝕性明顯優(yōu)于SZ的。以上分析表明，Tafel極化曲線對BM和SZ的耐蝕性分析結(jié)果與試樣浸泡后的腐蝕表面形貌吻合。

表2 由Tafel曲線得到的電化學(xué)腐蝕數(shù)據(jù)Table 2 Electrochemical parameters obtained from Tafel polarization curves

2.3 力學(xué)性能退化結(jié)果

3 結(jié) 論

1)在EXCO溶液中，2024-T3鋁合金攪拌摩擦焊接接頭浸泡腐蝕后焊核區(qū)呈現(xiàn)剝落腐蝕特征，母材僅發(fā)生少量點蝕，焊核區(qū)的腐蝕電流密度高于母材的，母材耐蝕性優(yōu)于焊核區(qū)的。主要是由于焊核區(qū)經(jīng)歷攪拌工具局部高溫，使第二相粒子細(xì)小彌散分布與鋁基體中，點蝕形核點增加，而母材僅有少量盤狀S相。

2)接頭浸泡腐蝕后，拉伸性能明顯降低，抗拉強(qiáng)度和伸長率均較焊態(tài)的降低了22%，接頭失重率高達(dá)0.6%，主要是SZ區(qū)遭受剝落腐蝕，接頭局部性能弱化導(dǎo)致整體拉伸性能降低。