鈦/鋁異種金屬FSW接頭的氫擴(kuò)散試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

陳玉華，龔資穎，張?bào)w明，謝吉林，王善林，徐亦楠

1.南昌航空大學(xué) 江西省航空構(gòu)件成形與連接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063

2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

鈦/鋁異種金屬焊接結(jié)構(gòu)兼有鋁合金密度低、經(jīng)濟(jì)性好和鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)約成本，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。鈦、鋁都是活性金屬，極易氧化，兩者之間的物理、機(jī)械性能存在較大的差異，在兩種材料的熔化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致焊縫化學(xué)成分不均勻，降低接頭強(qiáng)度。攪拌摩擦焊是一種新型固態(tài)連接技術(shù)，克服了傳統(tǒng)熔化焊方法因溫度過(guò)高在Ti/Al結(jié)合面上生成大量層狀質(zhì)硬而脆的金屬間化合物，從而導(dǎo)致的接頭脆化問(wèn)題，適用于鈦/鋁異種金屬的連接［4-5］。

然而，在雨水、潮濕大氣和沿海等高濕高霧環(huán)境作用下，攪拌摩擦焊接頭同樣面臨復(fù)雜的環(huán)境失效問(wèn)題［6］。對(duì)于鈦/鋁異種金屬焊接接頭而言，由于存在電偶腐蝕的問(wèn)題［6-8］，電位較低的鋁合金作為陽(yáng)極會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解［9］；作為陰極的鈦合金表面還可能會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，導(dǎo)致氫的滲入，造成鈦合金氫致脆化［10］。由此可見(jiàn)，鈦/鋁異種金屬焊接接頭的環(huán)境失效可能存在鋁合金陽(yáng)極溶解和鈦合金氫致脆化的雙重作用機(jī)制?，F(xiàn)有技術(shù)手段僅能研究腐蝕掛片條件下的焊接接頭整體腐蝕行為，而對(duì)于研究鋁合金的陽(yáng)極溶解和鈦合金中的氫擴(kuò)散等腐蝕電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程缺乏相關(guān)的設(shè)備和方法。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種鈦/鋁異種金屬焊接接頭的氫擴(kuò)散測(cè)試裝置，以監(jiān)測(cè)鈦/鋁異種金屬焊接接頭的氫擴(kuò)散行為，彌補(bǔ)現(xiàn)有電化學(xué)測(cè)試裝置和測(cè)試方法的不足，為異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的環(huán)境失效分析提供技術(shù)和理論支持。

1 異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

1.1 異種金屬焊接接頭的重構(gòu)

被焊材料為T(mén)C4鈦合金與2A14鋁合金，尺寸均為200 mm×80 mm×3 mm。2A14鋁合金狀態(tài)為T(mén)4態(tài)（淬火+自然時(shí)效），具有良好的可切削性、熱塑性和焊接性，并且強(qiáng)度、熱強(qiáng)性等力學(xué)性能較好，是我國(guó)航空航天應(yīng)用最為廣泛的鋁合金之一。TC4鈦合金狀態(tài)為軋制退火態(tài)，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，室溫組織為α+β，兼有α鈦合金和β鈦合金二者的優(yōu)點(diǎn)。

采用攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)TC4鈦合金與2A14鋁合金進(jìn)行焊接，工藝參數(shù)為：攪拌針轉(zhuǎn)速400 r/min，下壓量0.2 mm，角度2°，偏移量2 mm，焊接速度60 mm/min。焊后TC4/2A14異種金屬接頭宏觀形貌如圖1所示，可以看出，接頭成形質(zhì)量良好，無(wú)毛刺等缺陷。

TC4/2A14攪拌摩擦焊接頭主要由焊核區(qū)、TC4鈦合金側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)，以及2A14鋁合金側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)組成。研究目的在于測(cè)試TC4鈦合金與2A14鋁合金偶接作用下TC4鈦合金一側(cè)可能發(fā)生的氫擴(kuò)散行為。但是由于接頭的尺度很小，難以滿足精確測(cè)試的要求。

鑒于此，本文基于絲束電極的制備理念對(duì)TC4/2A14攪拌摩擦焊接接頭進(jìn)行重構(gòu)，具體為：采用電火花線切割技術(shù)切取焊核區(qū)，TC4鈦合金側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)，以及2A14鋁合金側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)圓柱形試樣，試樣直徑3 mm，長(zhǎng)度4 mm，平行試樣數(shù)量為5個(gè)，并分別做好標(biāo)記；采用超聲波清洗去除試樣表面的雜質(zhì)，經(jīng)無(wú)水乙醇驅(qū)水后冷風(fēng)吹干備用；采用釬焊在每一個(gè)試樣上面焊接導(dǎo)線引出，并將試樣按照如圖2所示形式排列，用環(huán)氧樹(shù)脂澆注，注意各試樣之間保持絕緣，并且保證試樣表面的釬焊焊點(diǎn)完全密封（導(dǎo)線從鑲嵌試樣的側(cè)面引出），隨后置于真空干燥箱固化；采用耐水砂紙逐漸打磨鑲嵌試樣的兩個(gè)斷面，最終試樣的厚度控制在（2±0.02）mm。

將固化、打磨完好的試樣逐一通過(guò)接線端子連接至線排，如圖2所示，并做好標(biāo)記。線排的另一側(cè)與控制開(kāi)關(guān)連接。該控制開(kāi)關(guān)能夠控制各個(gè)試樣之間的“通/斷”狀態(tài)，與電化學(xué)工作站配合，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的測(cè)試需求。

圖2 基于絲束電極設(shè)計(jì)理念的重構(gòu)TC4/2A14焊接接頭Fig.2 Reconstruction of TC4/2A14 welded joints based on the design concept of wire beam electrode

1.2 功能設(shè)計(jì)

TC4/2A14異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。整套測(cè)試裝置主要由試樣、電解池和電化學(xué)工作站三部分組成。在此僅對(duì)電解池和電化學(xué)工作站的結(jié)構(gòu)和功能做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖3 鈦/鋁異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of hydrogen diffusion test device for titanium/aluminum dissimilar metal welded joint

氫擴(kuò)散測(cè)試用電解池是基于傳統(tǒng)的Devnathan-Stachurski雙面電解池設(shè)計(jì)改造的，由陰極槽和陽(yáng)極槽組成，每個(gè)電解槽中配備4個(gè)接口，分別為參比電極接口、進(jìn)/排氣接口、輔助電極接口和工作電極接口。兩個(gè)電解槽的工作電極接口相向?qū)?，中間用封裝好的試樣阻隔，作為兩側(cè)的共用工作電極，并保證密封良好；工作電極與參比電極配合用于給定或監(jiān)測(cè)電位信號(hào)；工作電極與輔助電極配合用于給定或監(jiān)測(cè)電流信號(hào)。進(jìn)/排氣口的作用是通入惰性氣體，驅(qū)除溶液當(dāng)中的溶解氧，消除氧對(duì)電化學(xué)過(guò)程的干擾。

電化學(xué)工作站分別標(biāo)記為“電化學(xué)工作站1”和“電化學(xué)工作站2”，其中，電化學(xué)工作站1在陰極槽一側(cè)，其主要作用是監(jiān)測(cè)TC4鈦合金和2A14鋁合金在溶液中的耦合電位；電化學(xué)工作站2在陽(yáng)極槽一側(cè)，其主要作用是為T(mén)C4鈦合金施加恒電位極化，將擴(kuò)散進(jìn)入鈦合金中的H氧化為H+，監(jiān)測(cè)得到氫擴(kuò)散電流。

除了鈦/鋁異種金屬焊接接頭之外，本文設(shè)計(jì)的氫擴(kuò)散測(cè)試裝置還可適用于鋁/鋼、鎂/鋼、鈦/鎂等所有在腐蝕環(huán)境中可能發(fā)生由電偶腐蝕引發(fā)的析氫反應(yīng)環(huán)境，有助于從氫擴(kuò)散和氫致脆化的角度揭示電偶腐蝕的影響，彌補(bǔ)了以往研究過(guò)度關(guān)注陽(yáng)極型金屬腐蝕溶解的不足。

2 TC4/2A14異種金屬焊接接頭氫滲透行為監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)設(shè)計(jì)的異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散測(cè)試裝置，制定的氫擴(kuò)散測(cè)試方法如下：

①為了保證測(cè)試過(guò)程的穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)前對(duì)“電解池-試樣”的密封體系進(jìn)行測(cè)試，以防漏液對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。具體操作為：將試樣封裝在陰極槽和陽(yáng)極槽電解池中間，夾緊后向兩側(cè)的電解槽內(nèi)注入去離子水，24 h內(nèi)無(wú)泄漏認(rèn)為密封體系滿足要求。

②采用耐水砂紙逐級(jí)打磨重構(gòu)的TC4/2A14異種金屬焊接接頭試樣至600#，厚度控制在（2.00±0.02）mm。隨后在Watt鍍液中對(duì)試樣的一側(cè)表面進(jìn)行鍍鎳處理，鍍液成分為：250 g/L NiSO4·6H2O、45 g/LNiCl2·6H2O、40 g/LH3BO3，鍍鎳電流5 mA/cm2，電鍍時(shí)間為3 min，鍍層厚度約為600 nm。

③將帶有鍍鎳層的一側(cè)面向陽(yáng)極槽，將重構(gòu)的TC4/2A14異種金屬焊接接頭試樣封裝在兩個(gè)電解槽中間，裝夾過(guò)程中注意夾緊力分布均勻。

④向陽(yáng)極槽一側(cè)加注0.1 mol的NaOH溶液，并持續(xù)通入N2對(duì)溶液進(jìn)行驅(qū)氧處理，進(jìn)氣口的氣泡逸出速度控制在1個(gè)/s，以防氣體逸出速度太快對(duì)溶液造成擾動(dòng)，或者由于N2逸出速度太慢而不能及時(shí)驅(qū)氧。將焊接接頭各區(qū)域進(jìn)行偶接，然后對(duì)試樣施加+300 mV（Hg/HgO+98 mV）的極化電位，對(duì)試樣表面的鍍鎳層進(jìn)行鈍化處理。

⑤由于焊接接頭各區(qū)域偶接，所以陽(yáng)極槽內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)同時(shí)包含鈦合金側(cè)表面鍍鎳層的鈍化以及鋁合金的陽(yáng)極溶解過(guò)程。因此需要事先監(jiān)測(cè)+300 mV（Hg/HgO+98 mV）極化電位下鋁合金的氧化電流，即作為背景電流扣除即可。測(cè)試設(shè)備選擇CHI 760D型電化學(xué)工作站。為了保證測(cè)試精度，當(dāng)背景電流密度降低至0.1 μA/cm2以后方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)操作。

⑥當(dāng)背景電流滿足試驗(yàn)要求后，向陰極槽內(nèi)注入已經(jīng)驅(qū)氧處理的3.5%NaCl溶液，作為氫擴(kuò)散電流監(jiān)測(cè)的時(shí)間起點(diǎn)。為了防止大氣中的O2再次溶入溶液，試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)向溶液內(nèi)通入N2，進(jìn)氣口的氣泡逸出速度同樣控制在1個(gè)/s。試驗(yàn)全程中溶液的溫度控制在（35±0.5）℃。

⑦試驗(yàn)過(guò)程中，采用PS-1恒電位/恒電流儀的電位監(jiān)測(cè)模式觀測(cè)異種金屬焊接接頭耦合電位的變化情況。待陽(yáng)極槽監(jiān)測(cè)到的氫滲透電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后即可停止試驗(yàn)。

以上即為T(mén)C4/2A14異種金屬焊接接頭的氫擴(kuò)散行為試驗(yàn)過(guò)程。此外，由于借鑒了絲束電極的制備方法，還可以研究任意兩個(gè)或多個(gè)亞區(qū)耦合情況下氫滲透過(guò)程，并且由于每個(gè)亞區(qū)有5個(gè)平行試樣，還可用于研究面積比對(duì)氫滲透行為的影響。總之，可以根據(jù)測(cè)試需求靈活開(kāi)展試驗(yàn)研究。

3 TC4/2A14異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散行為

采用上述方法對(duì)TC4/2A14異種金屬焊接接頭鈦合金一側(cè)的氫滲透行為進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯赥C4鈦合金一側(cè)監(jiān)測(cè)到電流變化，但電流密度始終低于0.001 μA/cm2，即氫滲透電流密度低于氫滲透測(cè)試要求的背景電流值。這可能是由以下原因造成的：（1）TC4/2A14異種金屬的耦合電位較高，難以在TC4鈦合金表面產(chǎn)生強(qiáng)極化作用；（2）TC4鈦合金中的氫擴(kuò)散系數(shù)極低，且部分H原子與鈦合金反應(yīng)生成了氫化物；（3）溶液中析出的H原子復(fù)合成了H2，致使進(jìn)入鈦合金中的H減少。

圖4 S235/2A14異種金屬焊接接頭S235鋼中的氫滲透曲線Fig.4 Hydrogen permeation curves in S235 of S235/2A14 dissimilar metal welded joints

為了檢驗(yàn)本文提出的異種金屬焊接接頭氫滲透行為測(cè)試方法的可行性，可以采用氫擴(kuò)散系數(shù)較高的鋼鐵材料進(jìn)行試驗(yàn)。

4 拓展應(yīng)用—鋁/鋼焊接接頭的氫擴(kuò)散行為研究

圖5為S235/2A14異種金屬焊接接頭中S235鋼側(cè)的氫滲透曲線，其中S235母材、熱影響區(qū)、焊縫、2A14鋁合金母材、熱影響區(qū)的面積均相等。所測(cè)得的氫滲透電流表現(xiàn)出經(jīng)過(guò)一定的穿透時(shí)間后，電流逐漸增大，上升速率經(jīng)歷慢—快—慢的轉(zhuǎn)變過(guò)程，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程。

圖5 S235/2A14異種金屬焊接接頭S235鋼中的氫滲透曲線Fig.5 Hydrogen permeation curves in S235 of S235/2A14 dissimilar metal welded joints

基于該氫滲透曲線，即可對(duì)氫擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即氫擴(kuò)散系數(shù)、吸附氫濃度進(jìn)行計(jì)算分析。氫擴(kuò)散系數(shù)采用滯后時(shí)間法計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中D為氫擴(kuò)散系數(shù)（單位：cm2/s）；L為試樣厚度（單位：cm）；tL為滯后時(shí)間，其值為氫滲透電流為穩(wěn)態(tài)電流63%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），即可計(jì)算得到氫在S235鋼一側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)為2.56×10-6cm2/s。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算得到S235鋼表面的吸附氫濃度，其表達(dá)式為：

式中C0為吸附氫濃度（單位：μmol/cm3）；i為穩(wěn)態(tài)電流（單位：μA/cm2）；L為試樣厚度（單位：cm）；D為氫擴(kuò)散系數(shù)（單位：cm2/s）；F為法拉第常數(shù)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可以得到吸附氫濃度的數(shù)值為0.25 μmol/cm3。

4 結(jié)論及展望

（1）基于絲束電極的制備理念，提出了一種TC4/2A14異種金屬焊接接頭模擬重構(gòu)的方法，用于研究不同亞區(qū)之間的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

（2）根據(jù)異種金屬焊接接頭電偶腐蝕誘發(fā)的氫滲透問(wèn)題，制定了氫擴(kuò)散行為監(jiān)測(cè)方法。

（3）設(shè)計(jì)的氫擴(kuò)散測(cè)試裝置適用于鈦/鋁、鋁/鋼等可能發(fā)生氫擴(kuò)散現(xiàn)象的異種金屬焊接接頭，通過(guò)S235/2A14異種金屬焊接接頭的氫擴(kuò)散行為監(jiān)測(cè)，計(jì)算獲得了氫在S235鋼一側(cè)的擴(kuò)散系數(shù)、吸附氫濃度等參數(shù)，為揭示環(huán)境氫脆問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)。

（4）本文提出的異種金屬焊接接頭重構(gòu)理念和氫滲透測(cè)試方法可以推廣應(yīng)用于鋁/鋼、鎂/鋼等異種金屬焊接接頭氫擴(kuò)散行為的檢測(cè)，為評(píng)價(jià)異種金屬焊接接頭電偶腐蝕中的氫致脆化影響提供了理論指導(dǎo)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法僅能實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極溶解行為研究的不足。