鋁鋰合金焊縫大氣腐蝕行為研究

李忠東，張勇

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鋁鋰合金焊縫大氣腐蝕行為研究

李忠東1，張勇2

（1.海軍駐沈陽地區航空軍事代表室，沈陽 110015；2.海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041）

目的研究鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫在大氣環境中的腐蝕行為。方法采用電化學極化法、質量增加法、掃描電子顯微鏡、三維體式顯微鏡幾種不同的表征手段對鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫在模擬海洋大氣環境中的腐蝕行為進行研究。結果焊縫部位存在較為嚴重的應力腐蝕開裂現象，腐蝕電位比基體部位負移約0.05 V，腐蝕速率比一般基體部位明顯增大。結論攪拌摩擦焊雖具有較多優點，在其他領域得到一定應用，但針對鋁鋰合金在海軍飛機方向的應用存在缺陷，不能直接裸露使用。

攪拌摩擦焊；點蝕；應力腐蝕

鋁鋰合金具有低密度、高強度、以及優良的低溫性能和超塑性等優點，若將其應用于航空領域中，將起到減輕質量、降低成本、提高載荷等重要作用[1]。由于鋁鋰合金中的鋰元素非常活潑，使用時極易發生各種類型的局部腐蝕，降低力學可靠性，故在很多領域的應用仍處于論證階段。關于鋁鋰合金在航空領域的應用，國內外學者開展了大量相關研究[2—4]，然而鋁鋰合金的焊接性能文獻中卻鮮有報告[5—10]。尤其對于長期服役于高溫、高濕、高鹽霧的海洋大氣環境的海軍飛機而言，鋁鋰合金的焊接性能將直接決定其能否應用于海軍飛機的關鍵部位[11—12]。

攪拌摩擦焊是一種在軸肩的壓力作用下通過界面上的擴散及再結晶使相互之間結合的固相連接方法[2]。由于攪拌摩擦焊過程較為環保，對人體傷害少，不存在熔焊過程中的氣孔、裂紋等缺陷，目前已經成功用于高鐵列車、汽車制造、航天等領域中。文中主要針對攪拌摩擦焊處理后的鋁鋰合金在模擬海洋大氣環境中的腐蝕行為進行研究，以期為鋁鋰合金焊接結構的實際生產提供技術指導，具有十分重要的理論意義和實際應用價值。

1 實驗

1.1 試驗件制備

實驗中采用的鋁鋰合金化學成分見表1。原料為鑄錠經均勻化熱處理、熱軋和冷軋處理的2 mm薄板，經線切割加工，尺寸為20 mm×30 mm×2 mm。經攪拌摩擦焊接，得到的試驗件如圖1所示，其中攪拌摩擦焊原理如圖2所示。

表1 鋁鋰合金元素組成

1.2 海洋大氣環境模擬試驗

出于試驗可行性和可控性考慮，該部分利用室內模擬海洋大氣環境的方式進行試驗。將焊接試驗件置于自主設計的海洋大氣環境模擬裝置中，如圖3所示。分別通過控制循環水的溫度、循環濕氣含鹽量和進氣量的方式實現模擬倉內與海洋大氣環境相等的環境參數值[13]。環境參數的設定主要依據實際海域氣候參數設定，具體方法為：收集青島某沿海機場外場一個完整年份包括溫度、濕度、鹽沉積量、降水、霧等氣象數據的作用時間和參數，通過等電量法和鋁合金的腐蝕當量折算系數計算得到影響腐蝕的主要年均氣象參數，主要包括鹽沉積量、溫度、pH。這些參數的取值均可借助圖3中所示的大氣環境模擬裝置進行設置。該海洋大氣環境模擬裝置的工作原理為：將待測試驗件置于如圖3所示水平試驗臺5上，通過調整螺絲13進行調平。6和7分別為溫度和濕度的傳感器，將試驗倉內的溫濕度信息反饋給控制器8，控制器通過控制酸溶液9、堿溶液10和加熱11、制冷12的工作狀態及進氣量，實現實驗艙內溫濕度達到設定值，使得在試驗件表面形成一層薄液膜，薄液膜厚度可通過螺旋測微器和電阻表的方式進行測量。其中海洋大氣環境參數參照我國南海某氣象監測站的參數值：溫度為35 ℃，鹽霧沉積量（0.5~1.5）mL/(h·80 cm2)，濕度為95%，保證試驗件上有厚度約為0.5 mm的薄液膜，試驗共進行500 h。

1.電化學工作站；2.濕度調節艙；3.溫度調節倉；4.工作電極（待測試件）；5.鉑片輔助電極；6.濕度傳感器；7.溫度傳感器；8.溫濕度控制箱；9.酸溶液；10.堿溶液；11.加熱；12.制冷；13.調平螺絲

1.3 電化學試驗

為進一步對焊縫部位的腐蝕行為進行快速評價和分析，模擬海洋大氣環境試驗結束后，利用Prast 4000 電化學工作站對焊縫部位進行了電化學極化曲線測試[6]。在焊縫部位和基體部分用線切割的方式分別取10 mm×10 mm的試驗件，采用環氧樹脂固封的方式制成工作電極體系，輔助電極和參比電極分別為Pt 電極和帶魯金毛細管的飽和甘汞電極（SCE），電解質溶液為3.5% NaCl 中性溶液中，掃描范圍為－350~350 mV（vs. OCP），掃描速率為20 mV/min。

1.4 質量增加試驗

質量增加（損失）試驗是腐蝕檢測中比較常用的手段，因其與實際腐蝕方式和程度最為接近，故得到的質量增加數據最具有說服力。利用高精密電子天平對腐蝕前后的試驗件質量進行測量，用式（1）計算試驗件的質量增加率（%），利用鋁鋰合金發生腐蝕后生成腐蝕產物的質量與原始質量差，對腐蝕發生的程度進行研究。為保證不因部分腐蝕產物溶解于水而對試驗結果造成影響，在浸泡完成后保證試驗件真空干燥的同時對腐蝕溶液進行烘干處理。

式中：0為腐蝕前質量測定值；1為腐蝕后質量測定值。

1.5 微觀形貌觀察

微觀形貌觀察可以更加直觀地對腐蝕機理和規律進行研究。將焊縫部位表面腐蝕產物進行清除后采用德國Carl Zeiss公司的Zeiss Ultra55場發射型掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察，管電壓為20 kV，放大倍數分別為300倍和1000倍。

1.6 點蝕情況分析

采用科視達KH-7700型體視顯微鏡對試件焊縫與基體交界處表面點蝕坑形貌進行觀察，并隨機選取7個點蝕坑對其三維尺寸進行測量。

2 實驗結果與討論

2.1 電化學試驗結果分析

基體部位和焊縫部位得到的極化曲線分別如圖4所示。

圖4 電化學極化曲線

圖4中極化曲線表明，焊縫部分的腐蝕電位比基體部位明顯負移，這主要是因為陰極反應過程比基體部位明顯促進，陽極反應過程受到抑制。海洋大氣環境形成的薄液膜表面積大，有利于與空氣中的氧氣發生界面交換，液膜中的氧與空氣中的氧達到動態平衡狀態，使得陰極氧去極化作用不受限制。另一方面由于液膜厚度較薄，不利于陽極表面腐蝕產物向周圍擴散作用。尤其對于層疊狀的焊縫部位，相同的尺寸，相對于平整的基體部位，表面形成的液膜面積更大，因此整個反應受陽極表面擴散過程控制，且隨焊縫與薄液膜接觸面積更大，這一作用更為明顯。由于圖4中極化曲線陽極部分沒有傳統意義上的tafel區，故只對陰極部分曲線進行擬合，得到的參數見表2。

表2 極化曲線擬合結果

2.2 質量增加試驗結果分析

焊縫試驗件質量增加結果見表3。

表3 焊縫試驗件質量增加結果

從試驗結果來看，經過500 h的模擬海洋大氣環境試驗后，試驗件的平均質量增加率為1.68%，即未發生明顯變化，表面基體材料腐蝕較輕，雖然裸露試驗件產生了點蝕，但由于點蝕坑中聚集了腐蝕產物，一定程度上阻止了腐蝕的進一步發生。

2.3 微觀形貌結果分析

圖5中結果表明，摩擦攪拌焊的方式可以有效地避免出現焊縫氣孔的缺陷[14]，但焊接過程中產生的動態應力應變過程及其隨后出現的殘余應力與殘余變形，成為后期試驗過程中發生焊接裂紋和應力腐蝕的誘因[15]。從圖5a可以看出，鋁鋰合金的焊接裂紋主要為結晶裂紋[16—17]，影響結晶裂紋的主要因素有：脆性溫度區的大小，脆性溫度區的范圍主要與焊縫的化學成分以及低熔點共晶的性質及分布有關；脆性溫度區內金屬的塑性，焊縫金屬在脆性溫度區內的塑性越小（如圖5b所示），結晶裂紋的敏感性就越大，而塑性取決于焊縫的化學成分、晶粒大小以及應變速率等；脆性溫度區內的應變增長率，應變增長率的大小取決于焊縫金屬的熱膨脹系數、線能量大小以及接頭形式等，應變增長率越大，越容易產生結晶裂紋。裂紋一旦產生，海洋大氣環境中腐蝕性較強的Cl-將會滲透，在裂紋中形成原電池，導致局部酸化，對焊縫基體形成腐蝕作用，與焊縫部位原本就有的內部殘余應力共同作用下使其發生應力腐蝕開裂[7]。

圖5 焊縫處SEM形貌

2.4 點蝕情況分析

圖6為點蝕坑尺寸測量示意圖，不同位點測量結果統計見表4。從結果可以看出，焊縫試驗件的腐蝕深度在14.0~37 μm之間，平均深度23.4 μm，腐蝕坑寬度在79~137 μm之間，平均寬度為126.6 μm，表明焊縫試驗件表面產生了較多的寬但較淺的點蝕坑。這些嚴重局部腐蝕坑的尺寸較大，甚至裸眼可見。在浸泡過程中，腐蝕坑位置處有氣體溢出，同時在腐蝕坑的周圍有一個腐蝕較輕微的保護區。腐蝕坑中產生的氣體為陰極反應形成的氫氣，腐蝕坑周圍的保護區可能是中心腐蝕區的陽極溶解所形成的陰極保護區。結合文獻分析認為，鋁鋰合金中發生的非均勻塑性變形引起局部區域位錯塞積，位錯密度高的區域能量也高，在腐蝕環境中優先發生腐蝕。同時，位錯為時效過程中第二相相比鋁基體具有更高的化學活性，進一步降低了局部區域的耐蝕性能。

a 位點1

b 位點2

圖6 腐蝕坑尺寸測量示意

表4 腐蝕坑三維尺寸

3 結論

1）鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫部位在模擬海洋大氣環境中腐蝕電位比基體部位負移約0.05 V，由于摩擦攪拌焊作用金屬晶內電位降低，晶界和晶內電位差減小。隨著腐蝕反應的進行，晶界析出相開始呈斷續分布，導致其晶間腐蝕敏感性降低。腐蝕速率比一般基體部位明顯增大。

首先，加強科技人才宏觀管理，全口徑開展科技人才數據庫建設，繪制科技人才地圖，摸清隊伍規模、結構、分布及產業發展需求，實時監測科技人才發展動態。建立人才跟蹤服務機制，完善人才流失預警系統，及時跟蹤人才發展情況，加強信息統計，對人才流失情況進行分析，制定防止人才流失有利于人才隊伍建設的政策措施。

2）鋁鋰合金試驗件在模擬海洋大氣環境中容易發生晶間腐蝕和選擇性腐蝕，腐蝕性較強的Cl-將會滲透，在裂紋中形成原電池，導致局部酸化，對焊縫基體形成腐蝕作用，與焊縫部位原本就有的內部殘余應力共同作用下使其發生應力腐蝕開裂焊縫與基體邊緣處，存在很多直徑大、深度淺的點蝕坑；且焊縫處存在較為嚴重的應力腐蝕開裂現象。

3）攪拌摩擦焊雖具有較多優點，在其他領域得到一定應用，但針對鋁鋰合金在海軍飛機方向的應用存在缺陷，不能直接裸露使用。

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Study on Corrosion Behavior of Lithium Welded Aluminum Alloy in Atmospheric

LI Zhong-dong1, ZHANG Yong2

(1.Navy Aviation Military Representative Office in Shenyang Area, Shenyang 110015, China;2.Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)

Objective Research on lithium aluminium alloy friction stir weld in the corrosion behavior of atmospheric environment. Methods The electrochemical polarization method, weight loss method, , Scanning Electron Microscopy and microscope were conducted applied to researchto corrosion behaviors of fricitionfriction stir welding joint of aluminum lithium alloylithium welded aluminum alloy after friction stir welding in simulated marine atmosphere with the help of self-design equipment. Results Results showed that Serious stress corrosion cracking phenomenon was observed in the weld jointseam, which lead corrosion potential negative shifted about 0.05 V relative to other partsthe base. Meanwhile, the corrosion rate increased significantly. Conclusion Although friction stir welding haves been applied in many other fields already for some advantages, there are were obvious defects in the application of the Navy aircraft. It cannot be used directly in an exposed way. when it was exposed to use.

friction stir welding; pitting corrosion; stress corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.010

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0052-05

2016-11-22；

2016-12-15

李忠東（1968—），男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要研究方向為飛機監造。