2219鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在中性介質(zhì)中的腐蝕行為

梁蘇瑩

(首鋼工學(xué)院,北京 100144)

2219鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在中性介質(zhì)中的腐蝕行為

梁蘇瑩

(首鋼工學(xué)院,北京 100144)

采用微型電池(Microcell)和浸泡腐蝕試驗(yàn)研究了2219-O鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在0.5 mol/L NaCl中性溶液中的微區(qū)電化學(xué)特征和腐蝕行為，通過(guò)光學(xué)輪廓儀分析了經(jīng)14 d浸泡后接頭的均勻腐蝕深度以及點(diǎn)蝕形貌、深度和密度，討論了影響腐蝕行為的機(jī)理。結(jié)果表明：接頭在無(wú)外電流干擾下即發(fā)生點(diǎn)蝕。與母材相比，熱影響區(qū)的腐蝕行為沒(méi)有明顯改變；熱機(jī)械影響區(qū)的耐蝕性略有提高；軸肩作用區(qū)(SAZ)因θ相回溶和被打碎，提高了基體中固溶的Cu含量，降低了SAZ的腐蝕速率以及點(diǎn)蝕深度、體積和密度，耐蝕性提高。

2219鋁合金；攪拌摩擦焊；中性NaCl溶液；腐蝕行為；微區(qū)電化學(xué)特性

2219鋁合金在-253～200 ℃具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是制造大型運(yùn)載火箭燃料貯箱的理想材料之一[1]。國(guó)外一些國(guó)家和地區(qū)均有采用2219鋁合金制造火箭貯箱的成功案例；我國(guó)也已定型采用2219鋁合金來(lái)制造新一代運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱[2-4]。

2219-T6/T8鋁合金在采用熔焊方法進(jìn)行焊接時(shí)，接頭強(qiáng)度僅為母材的50%～65%[5]。攪拌摩擦焊(FSW)作為一項(xiàng)固相焊接技術(shù)，可以改善焊縫區(qū)的微結(jié)構(gòu)、消除熔焊時(shí)的氣孔和熱裂紋等冶金缺陷，并能顯著提高接頭的力學(xué)性能[6-7]。2219-T8鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的75.4%，且變形量小、殘余應(yīng)力低[8]。我國(guó)新一代運(yùn)載火箭筒段縱縫將采用FSW技術(shù)[4]。

2219鋁合金作為一種高含Cu合金，在室溫下會(huì)有大量的θ(Al2Cu)相存在[9]；且θ相易在晶界析出，導(dǎo)致晶界附近存在無(wú)沉淀析出帶(PFZ)[10]。由于θ相與鋁基體之間的電化學(xué)性能差異，在腐蝕環(huán)境中，由θ相引起的點(diǎn)蝕或晶間腐蝕(IGC)常常會(huì)引起Al-Cu合金失效[11-12]。

FSW接頭各區(qū)經(jīng)歷了不同的焊接熱循環(huán)，導(dǎo)致各區(qū)中的第二相發(fā)生了不同的演變[13]，這使得各區(qū)之間的腐蝕性能存在差異。Xu等[14-15]對(duì)2219-O態(tài)鋁合金FSW接頭在中性和堿性(pH為12)介質(zhì)中點(diǎn)蝕行為的研究表明，經(jīng)FSW后焊核區(qū)(WNZ)的點(diǎn)蝕電位提高，認(rèn)為這主要與FSW細(xì)化了WNZ中作為點(diǎn)蝕起源的θ相有關(guān)；Kang等[11]對(duì)2219-T8鋁合金FSW接頭在鹽霧環(huán)境中的腐蝕行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與母材(BM)相比，熱影響區(qū)(HAZ)發(fā)生了更為嚴(yán)重的晶間腐蝕，而熱機(jī)械影響區(qū)(TMAZ)和WNZ由于第二相部分回溶導(dǎo)致耐蝕性提高，僅發(fā)生了點(diǎn)蝕。

總結(jié)已有研究發(fā)現(xiàn)：(1) 第二相的存在狀態(tài)對(duì)2219鋁合金FSW接頭各區(qū)域的腐蝕行為有重要的影響，然而對(duì)于2219-T6/T8鋁合金而言，由于母材中含有GP區(qū)、θ″相、θ′相和θ相，焊后接頭各區(qū)第二相發(fā)生不同的演變[13]，這使得研究各區(qū)腐蝕行為變得復(fù)雜。在諸多第二相中，θ相尺寸大、含量多，且相對(duì)合金基體電位高，是影響點(diǎn)蝕發(fā)生最主要的因素之一[14,16]。因此，若能單純研究θ相在FSW過(guò)程中的演變對(duì)接頭腐蝕行為的影響，對(duì)理解2219-T6/T8鋁合金FSW接頭的腐蝕行為具有基礎(chǔ)意義。(2) 由于TMAZ范圍窄且形狀不規(guī)則[13,17-18]，采用傳統(tǒng)的電化學(xué)方法很難準(zhǔn)確地對(duì)它的電化學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，因此需要嘗試一種新的測(cè)試方法。(3) 目前關(guān)于2219鋁合金FSW接頭點(diǎn)蝕行為的研究大多是定性分析，缺少對(duì)接頭各區(qū)域的點(diǎn)蝕深度、密度和腐蝕速率等定量分析的數(shù)據(jù)。

因此，本工作以合金成分簡(jiǎn)單、相組成單一的2219-O鋁合金為研究對(duì)象，在分析了FSW接頭上表面各區(qū)微觀組織的基礎(chǔ)上，采用微型電池(Microcell)方法[19]進(jìn)行微區(qū)電化學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)浸泡腐蝕試驗(yàn)后接頭各區(qū)域點(diǎn)蝕深度、密度和腐蝕速率等參數(shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。揭示2219-O鋁合金FSW接頭各區(qū)θ相演變對(duì)腐蝕行為的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為8 mm厚的2219-O鋁合金板材，其化學(xué)成分為：wCu6.31%，wMn0.32%，wFe0.23%，wTi0.06%，wV0.08%，wZn0.04%，wSi0.20%，wZr0.13%，余量為鋁。采用攪拌摩擦焊設(shè)備對(duì)板材進(jìn)行焊接，攪拌頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800 r/min，焊接速率180 mm/min。攪拌頭軸肩直徑為20 mm，攪拌針長(zhǎng)7.8 mm。所得焊接接頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)接頭)無(wú)缺陷，參考GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，測(cè)得接頭的抗拉強(qiáng)度為175 MPa，為母材的92%，伸長(zhǎng)率為18.9%，斷裂發(fā)生于HAZ。

所有進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試和浸泡試驗(yàn)的試樣經(jīng)砂紙(80～600號(hào))逐級(jí)打磨后，均用乙醇進(jìn)行潤(rùn)滑研磨，避免與水接觸，盡可能避免發(fā)生腐蝕。試樣在測(cè)試前采用乙醇進(jìn)行超聲清洗并吹干。

采用Microcell方法測(cè)試接頭上表面不同區(qū)域的極化曲線。Microcell的試驗(yàn)方法和原理可參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]，本工作所用Microcell設(shè)備的關(guān)鍵部件示意圖如圖1所示，工作端(Tip)的內(nèi)徑為0.8 mm，即測(cè)試時(shí)工作電極面積約為0.5 mm2。需要指出，與傳統(tǒng)電化學(xué)測(cè)試相比，Microcell的優(yōu)勢(shì)在于可測(cè)試微區(qū)電化學(xué)性能；此外，它安裝在一套金相顯微鏡上，在測(cè)試前通過(guò)觀察顯微鏡，可輕松將試樣待測(cè)區(qū)域調(diào)整到位，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測(cè)試的目的。因此，Microcell非常適合用于測(cè)試焊接接頭各區(qū)的電化學(xué)性能，尤其像TMAZ這種范圍很窄且不規(guī)則的區(qū)域。

圖1 Microcell示意圖Fig. 1 Schematic of the Microcell

電化學(xué)工作站的型號(hào)為Gamry Ref 600，采用鉑絲作為輔助電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，文中電位若無(wú)特指，均相對(duì)于SCE。開(kāi)位電位(OCP)穩(wěn)定時(shí)間為300 s，極化曲線測(cè)試范圍-200～+200 mV(相對(duì)于OCP)，掃描速率為3 mV/s，電解質(zhì)溶液是pH為6.8的0.5 mol/L NaCl溶液(未除氧)，試驗(yàn)溫度為室溫(25±2) ℃。每個(gè)待測(cè)區(qū)域至少重復(fù)測(cè)試5次，取平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

浸泡試驗(yàn)也在室溫下進(jìn)行，溶液同電化學(xué)測(cè)試溶液，浸泡時(shí)間為14 d。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣在30%(體積分?jǐn)?shù)，下同)HNO3溶液中浸泡3 min去除腐蝕產(chǎn)物，隨后用流動(dòng)清水沖洗，再用乙醇清洗并吹干。需要指出：為得到均勻腐蝕深度，浸泡前在接頭各區(qū)涂上一點(diǎn)防腐蝕漆，浸泡后在丙酮中超聲清洗去除該漆，通過(guò)多次測(cè)量未腐蝕區(qū)與腐蝕區(qū)的高度差來(lái)得到均勻腐蝕深度。采用光學(xué)輪廓儀(OP，Veeco Contour GT-K型)觀察未腐蝕和腐蝕區(qū)域的形貌，并進(jìn)一步用OP附帶的軟件對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得腐蝕形貌、深度和密度等參數(shù)。圖2為采用OP獲得均勻腐蝕深度的方法。

圖2 均勻腐蝕深度測(cè)試方法Fig. 2 Test method for the depth of uniform corrosion

2 結(jié)果與討論

2.1 第二相粒子分布

2219-O鋁合金FSW接頭上表面可分為4個(gè)區(qū)域：BM、HAZ、TMAZ和SAZ(軸肩作用區(qū))，見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，BM因經(jīng)過(guò)退火處理，亞穩(wěn)相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相(或稱(chēng)過(guò)時(shí)效相)，存在大量的、明顯的第二相，經(jīng)EDS分析，圖中灰色第二相顆粒為θ相，黑色顆粒為Al-Cu-Mn-(Si/Fe)相；HAZ的組織形貌與BM類(lèi)似；觀察TMAZ的金相組織，可見(jiàn)TMAZ兩側(cè)組織差異明顯，軸肩作用范圍內(nèi)的區(qū)域已觀察不到明顯的大尺寸θ相、且晶粒細(xì)化，見(jiàn)圖3(c)右側(cè)，而不在作用范圍內(nèi)的區(qū)域仍存在明顯的θ相，見(jiàn)圖3(c)左側(cè)；SAZ晶粒明顯細(xì)化、且未觀察到大尺寸θ相。

(a) 整體

(b) BM (c) TMAZ (d) SAZ圖3 2219-O鋁合金FSW接頭上表面不同區(qū)域第二相大小和分布Fig. 3Size and distribution of secondary phase particles in different regions on the top surface of 2219-O FSW joint:(a) overview, (b) BM, (c) TMAZ, (d) SAZ

2.2 極化曲線

圖4(a)為FSW接頭各區(qū)域典型的極化曲線。由圖4可見(jiàn),FSW接頭各區(qū)域的零電流電位(Ezc)與點(diǎn)蝕電位(Epit)相同，即表明接頭在0.5 mol/L NaCl溶液中,在無(wú)外電流干擾下就會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。多次測(cè)試得到接頭各區(qū)域的Epit平均值并求得標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)圖4(b)，BM的Epit最低，為-649 mV；HAZ的Epit與BM相當(dāng)、TMAZ的Epit略有提高；SAZ的Epit有較大提高，為-600 mV。

2.3 腐蝕形貌

由圖5可見(jiàn)，接頭各區(qū)域均發(fā)生了點(diǎn)蝕，不同的是BM和HAZ的點(diǎn)蝕更大更深、TMAZ的次之，SAZ的點(diǎn)蝕體積明顯減小。

2.4 影響腐蝕行為機(jī)理

在影響鋁合金腐蝕行為的諸多因素中，析出相是影響2219鋁合金點(diǎn)蝕行為最主要的因素[20-23]，尤其是當(dāng)2219鋁合金經(jīng)過(guò)退火處理后，合金中存在大量的θ相，因其尺寸大、含量多，并且其自腐蝕電位(Ecorr)比α(Al)基體的高，陰極反應(yīng)(氧的還原反應(yīng))主要發(fā)生在θ相，陽(yáng)極反應(yīng)發(fā)生在周?chē)摩?Al)基體[15,22]。此外，已有研究表明，Al-Cu二元合金α(Al)基體的Ecorr和Epit隨合金中固溶Cu含量的增加而提高[10,24]。

(a) 極化曲線

(b) Epit平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差圖4 2219-O鋁合金FSW接頭不同區(qū)域在0.5 mol/L NaCl溶液中的電化學(xué)性能Fig. 4 Electrochemical characteristics of different regions in the FSW 2219-O Al alloy joint in 0.5 mol/L NaCl: (a) polarization curves, (b) mean and standard deviation of Epit

FSW后，2219-O鋁合金接頭各區(qū)因經(jīng)歷了不同的熱力耦合作用，導(dǎo)致組織發(fā)生不同的變化，進(jìn)而影響其力學(xué)性能和耐蝕性。結(jié)合圖3和Kang等的工作[13]：HAZ經(jīng)歷的溫度區(qū)間為180～380 ℃，此溫度下,θ相不回溶，因此HAZ的腐蝕行為與BM的相似。通過(guò)接頭的硬度分布(如圖7所示)，也可證明HAZ中的θ相未發(fā)生回溶，圖7中HAZ的硬度與BM的相當(dāng)，即HAZ中沒(méi)有產(chǎn)生因θ相回溶而帶來(lái)的固溶強(qiáng)化作用；TMAZ的溫度區(qū)間為380～400 ℃，θ相同樣不會(huì)發(fā)生回溶，不過(guò)由于攪拌頭的帶動(dòng)作用，TMAZ的晶粒發(fā)生變形，因此硬度略有提高，耐蝕性也稍有改善；SAZ同時(shí)受到攪拌頭摩擦/攪拌作用和焊接熱循環(huán)作用，經(jīng)歷了劇烈的塑性變形和最高的焊接溫度，晶粒細(xì)化、θ相部分回溶，由此帶來(lái)的細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用大幅提高了SAZ的硬度。θ相的大量回溶提高了基體中固溶Cu含量的水平，導(dǎo)致SAZ的Ecorr和Epit均大幅提高，因此均勻腐蝕和點(diǎn)蝕程度均減弱，腐蝕速率降低；此外，θ相的回溶或被打碎致尺寸變小[13,25]，降低了點(diǎn)蝕源的體積，使得點(diǎn)蝕深度、體積和密度均減小。

(a) 宏觀

(b) BM (c) HAZ

(d) TMAZ (e) SAZ圖5 接頭上表面浸泡14 d后的腐蝕形貌Fig. 5 Corrosion morphology of different regions on the top surface of joint after being immersed for 14 d:(a) macrograph, (b) BM, (c) HAZ, (d) TMAZ, (e) SAZ

(a) 最大腐蝕深度 (b) 腐蝕密度 (c) 失重腐蝕速率圖6 接頭各區(qū)域在0.5 mol/L NaCl溶液中浸泡14 d后的定量分析Fig. 6 Quantitative analysis of different regions in the joint after 14 d immersion in 0.5 mol/L NaCl solution:(a) deepest pits, (b) corrosion density, (c) weight-loss corrosion rate

圖7 2219-O鋁合金FSW接頭上表面硬度分布Fig. 7 Microhardness distributions on the top surface of a 2219-O FSW joint

3 結(jié)論

(1) 2219-O鋁合金FSW接頭在0.5 mol/L NaCl溶液中在無(wú)外電流干擾下就會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕；浸泡14 d后，接頭上各區(qū)域除均勻腐蝕外，只發(fā)生點(diǎn)蝕。

(2) 2219-O鋁合金HAZ的耐蝕性能與BM相當(dāng)；TMAZ的耐蝕性略有提高；SAZ因θ相回溶或被打碎，提高了基體中固溶的Cu含量，SAZ的腐蝕速率以及點(diǎn)蝕深度、體積和密度最小。

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Corrosion Behavior of Friction Stir Welded Joints of 2219 Al Alloy in Neutral Chloride Solution

LIANG Su-ying

(Shougang Institute of Technology, Beijing 100144, China)

The micro-electrochemical characteristics and corrosion behavior of a friction stir welded AA2219-O joint in 0.5 mol/L NaCl neutral solution were characterized using a microcell method and immersion test, respectively. An optical profilometer was employed to analyze the uniform corrosion depth as well as the pitting corrosion morphology, depth and density of the joint after being immersed for 14 days. The mechanism which affected the corrosion behavior was discussed. The results showed that pitting corrosion occurred without applied potential. Compared to the base metal, the corrosion resistance was similar in the heat affected zone, slightly improved in the thermomechanically affected zone. In the shoulder affected zone (SAZ), the θ phase particles were partly dissolved and broken, which led to an increase in the content of dissolved Cu in the matrix, and decreased the weight-loss corrosion rate as well as the pitting depth, volume and density. As a result, the corrosion resistance significantly increased in the SAZ.

2219 Al alloy; friction stir welding; neutral chloride solution; corrosion behavior; micro-electrochemical characteristic

10.11973/fsyfh-201703011

2016-10-23

梁蘇瑩(1984-),講師,碩士,從事鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕機(jī)制與防護(hù)研究,010-59805973,liangsy2016@hotmail.com

TG172

A

1005-748X(2017)03-0208-06