7N01鋁合金焊接接頭腐蝕行為研究進展

魏 萍，吳銘方，劉大雙，董智慧

1.江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212100

2.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009

0 前言

輕量化是交通運輸業實現高速化和節能減排的關鍵技術，采用輕質高強的鋁合金材料是輕量化的有效途徑[1]。7N01鋁合金是一種可熱處理強化的新型Al-Zn-Mg系鋁合金，具有強度高、可焊性強、加工性能好、質量輕等優點，是高速列車、海洋船舶、航空航天等領域的關鍵材料之一[2-6]，但高的腐蝕敏感性在一定程度上限制了其使用范圍[7]。

由于7N01鋁合金焊接接頭受非均勻溫度場影響，金屬成分和冶金結構的改變、焊接變形和殘余應力等問題導致接頭各區域的金相組織、化學成分和受力情況相差較大，進而導致各區域腐蝕敏感性不同。焊接接頭是整個構件的薄弱部位[8]，時效狀態、焊接工藝和參數、焊后處理等一系列因素都會影響其腐蝕性能。7N01焊接接頭及其服役環境的復雜性也給腐蝕研究帶來了極大的挑戰。目前，國內外學者重點對7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕過程、腐蝕機理和腐蝕防護等方面進行了研究。本文對7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕類型和研究方法進行了歸納，分析了腐蝕機理和腐蝕影響因素，并提出了提升焊接接頭耐腐蝕性能的主要途徑。

1 7N01鋁合金焊接接頭腐蝕類型、研究方法和機理

1.1 腐蝕類型

7N01鋁合金焊接接頭經歷驟熱驟冷過程，局部微觀組織發生復雜變化，析出相產生不平衡溶解及析出行為，重新分配于界內及晶界，導致焊接接頭組織的不均勻性，存在殘余應力，也易產生氣孔、夾雜、未熔合等焊接缺陷，這些因素均會加速腐蝕。7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕類型包括電偶腐蝕、點蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕。不同的腐蝕類型之間常常具有一定關聯性，如7N01鋁合金焊接接頭易發生電偶腐蝕，而電偶腐蝕往往會誘發點腐蝕，若活化相在晶界處連續分布，則易由點蝕發展為晶間腐蝕[9]，隨著蝕坑深度逐漸向內部擴展，當腐蝕產物體積大于被腐蝕金屬體積，形成拉應力，有可能進一步發展為剝落腐蝕[10]。剝落腐蝕是晶間腐蝕的一種特殊形式，會導致腐蝕坑、腐蝕孔和腐蝕縫隙，這些將成為應力腐蝕和腐蝕疲勞的裂紋源，在恒定或交變載荷下會進一步發展，導致應力腐蝕斷裂或腐蝕疲勞[11]。7N01鋁合金腐蝕類型的典型發生條件、腐蝕特征、影響因素及腐蝕類型如表1所示。

表1 7N01鋁合金腐蝕類型典型發生條件、腐蝕特征及影響因素Table 1 Typical occurrence conditions，characteristics and influencing factors of corrosion types of 7N01 aluminum alloy

1.2 腐蝕研究方法

目前，國內外學者主要采用室內模擬加速實驗和電化學測試，并配合表面分析及形貌觀察方法對7N01鋁合金焊接接頭腐蝕進行研究。研究方法主要包括：失重法、開路電位、電化學分析（電化學阻抗、極化曲線）、表面分析（表面形貌分析、表面腐蝕產物分析）。表2為7N01鋁合金焊接接頭腐蝕研究方法及實驗情況。

1.3 腐蝕發生區域

由于焊接熱輸入及其熱傳遞機制不同，7N01鋁合金焊接接頭熱影響區組織與母材和焊縫存在較大差異，從而表現出不同的耐蝕性能。熱影響區是母材和焊縫的過渡區，存在嚴重的物理和化學不均勻性，焊縫區具有較高電位，與熱影響區之間構成電位差較大的腐蝕電池，電位低的熱影響區作為陽極會被優先溶解腐蝕，成為焊接接頭中對腐蝕最為敏感的區域，最先發生晶間腐蝕，晶間腐蝕敏感性最大[9]。研究表明，7N01鋁合金焊接接頭的應力腐蝕敏感性為：熱影響區＞母材區＞焊縫區[15，19，22]。朱瑞棟等[23]研究了A7N01S-T5鋁合金MIG焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的耐應力腐蝕性能，發現具有粗晶層的試樣由于大角度晶界較少，能有效降低其應力腐蝕敏感性。A7N01S-T5鋁合金MIG焊接接頭試樣在腐蝕28 d后，各微區均未出現應力腐蝕開裂，應力腐蝕敏感性為：去除粗晶層＞具有粗晶層。相較于MIG焊，FSW各個區域所經歷的熱循環和力的作用不同，因此接頭各區域的顯微組織演變與MIG焊接頭明顯不同，腐蝕行為也存在差異。王禹[24]發現7N01鋁合金FSW接頭腐蝕性能從頂部到底部逐步提高，在腐蝕性能上，焊核區＞母材＞熱影響區＞前進側熱機影響區＞后退側熱機影響區。Zhang等[9]發現7N01-T5鋁合金FSW接頭的熱影響區對晶間腐蝕的敏感性最高，且熱影響區的上下表面層的腐蝕程度比中心層嚴重，晶界上連續分散的析出物和晶粒尺寸可能是導致熱影響區腐蝕程度不同的主要因素。溫度梯度導致熱機影響區的抗晶間腐蝕能力從上到下逐漸降低。攪拌區經歷了嚴重的塑性變形和溫度循環，晶間腐蝕敏感性較低，這歸因于焊接過程中強化析出物的充分再溶解，這與方振邦等[25]的研究一致。

表2 7N01鋁合金焊接接頭研究方法及實驗情況Table 2 Research methods and experiments of 7N01 aluminum alloy welded joints

1.4 腐蝕機理

鋁合金焊接接頭各區域的組織和成分差異，導致這些區域的化學電位不同。鋁合金焊接接頭的腐蝕機制的本質是電化學性質，腐蝕機理主要由顯微組織的電化學不均勻性和化學成分均質化程度兩個因素決定的[26]。

7N01鋁合金焊接常用焊絲主要是鋁鎂系[27-29]，鋁鎂焊絲提高了焊縫處的鎂含量，形成強化相Al8Mg5（β相）。7N01鋁合金晶界上較易析出富鋅相，主要強化相為MgZn2（η相）或Al2Mg3Zn3（T相）。母材的富鋅相（MgZn2和Al2Mg3Zn3）電位低于焊縫Al8Mg5的電位，因此，母材更易發生電化學腐蝕[12]，沿晶界連續分布的富鋅相由于發生電化學反應而溶解，導致晶界成為陽極活性通道，使得腐蝕不斷向金屬內部發展[18]。

需要指出的是，7N01鋁合金焊接接頭對應力腐蝕開裂敏感性較大，然而應力腐蝕開裂受各種微觀因素的影響，機制十分復雜。目前，學術界對于應力腐蝕機理仍未達成共識，主要提出了氫脆理論、陽極溶解理論和鈍化膜破裂理論[30]。腐蝕疲勞是應力腐蝕的特殊形式之一，裂紋萌生于表面腐蝕坑，在交變應力作用下，蝕坑深度和表面積均迅速增加，當蝕坑增大到臨界尺寸時，微裂紋作為相鄰蝕坑間的“橋梁”，導致腐蝕疲勞裂紋形成、擴展，直至斷裂[10]。

2 腐蝕影響因素

2.1 鋁合金時效工藝

鋁合金時效處理是指鋁合金在一定溫度下（分為自然時效和人工時效），保持一段時間，由于過飽和固溶體脫溶和晶格沉淀而使強度逐漸升高，從而提高鋁合金性能的處理方法。7N01作為一種典型的時效強化鋁合金，溶質原子Mg和Zn析出，富集在某一區域內形成GP區之后發生偏聚，持續保溫，GP區轉化為亞穩態的過渡相η′相（MgZn），由于該過渡相不穩定，所以時效工藝會影響7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕性能。

聶媛[31]發現7N01鋁合金焊接接頭表面抗腐蝕能力為T73>T6>自然時效狀態。這是由于T73的時效制度使得含量較高的Mg2Zn3、η（MgZn2）等亞穩定相和穩定相析出并長大，減少了晶界及周圍的自由Mg，從而減少了H原子在晶界的偏析和脆化作用，并且使得晶界上平衡相的析出變得不連續，因此改善了其耐腐蝕性。楊振東等[32]發現7N01-T5與7N01-T7焊接接頭經20 d的應力腐蝕后未發現裂紋，兩種焊接接頭應力腐蝕臨界值均超122 MPa，且第二相的數量對應力腐蝕性能有影響。Li等[33]研究了T4和T5兩種供應狀態下的7N01鋁合金MIG焊焊縫的腐蝕行為，發現7N01-T5合金側最容易發生剝落腐蝕的是AT5-HAZI，而7N01-T4合金側最容易發生晶間腐蝕的是AT4-HAZI，這一現象證明焊接接頭不同位置之間的電偶腐蝕取決于陰極區和陽極區之間的距離。

2.2 焊后處理

焊后處理可改善焊縫組織和成分，從而提升材料的耐蝕性能。超聲沖擊可增加鋁合金表面的晶界和晶內的比例，細化晶粒，緩解局部腐蝕，降低腐蝕深度[34]。劉軍等[35]對7N01P-T4鋁合金焊接接頭進行超聲沖擊處理（1 500 W，1 min）。對超聲沖擊強化和未強化的試樣進行應力腐蝕，兩者均在焊趾處斷裂。超聲沖擊改變了7N01P-T4焊接接頭的表面應力狀態和分布，使其應力腐蝕壽命提高了6.6倍。趙毅[36]研究了焊后熱處理工藝對7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭耐蝕性的影響，接頭化學浸泡耐點蝕性能、電化學耐蝕性和應力腐蝕排序都為：未處理<單級時效<雙級時效<回歸時效，并得出不同熱處理工藝條件下析出相的大小、分布及形貌差異是導致接頭耐蝕性不同的主要原因。同時，無論采用何種熱處理工藝，接頭焊核區耐蝕性均優于熱影響區。此外，晶間腐蝕試驗的結果表明，未處理、雙級時效和回歸時效的焊接接頭的晶界腐蝕行為并不顯著。鹽水中慢拉伸實驗表明，回歸再時效的焊接接頭斷口為準解理斷裂，而未處理、單級時效和雙級時效的焊接接頭的斷口都表現出明顯的沿晶斷裂特征，腐蝕開裂機理是陽極溶解理論。

2.3 焊接工藝參數

不同的焊接工藝參數會導致鋁合金焊接接頭的微區組織結構、化學成分、焊接缺陷和焊接熱源施加的熱-力-溫度耦合機制的存在差異，因此鋁合金的腐蝕行為和腐蝕機理也不相同。7N01鋁合金焊接接頭易存在軟化、氣孔和熱裂紋等缺陷，從而影響接頭的腐蝕行為[37]。近年來，焊接工藝參數的探索主要集中在工藝參數的優化和創新方面。Huang等[16]研究了激光修復對7N01鋁合金惰性氣體保護焊接接頭腐蝕行為的影響，MIG焊和激光修復可增加MgZn2O在晶界上的連續性，并使得抗點蝕性更高，剝落腐蝕速率的順序為：熱影響區>基材>焊縫。焊接參數會影響焊接接頭各區域組織結構和化學成分均勻性，從而對腐蝕性能產生重要影響。綦秀玲等[38]研究了不同焊接電流對7N01鋁合金焊接接頭組織和性能的影響，當焊接電流為150A、160 A、170 A時，焊縫發生鈍化，而當焊接電流為180 A時焊縫未發生鈍化，且焊接電流為170 A時焊縫的耐蝕性最好。王新等[39]采用不同的濕度條件探討焊縫氣孔對A7N01鋁合金焊接接頭腐蝕性能的影響，發現裂紋優先在氣孔處萌生，并發展成嚴重的缺口，在腐蝕介質和應力的共同作用下，形成沿晶與脆性疲勞條帶的混合斷裂形貌。

補焊工藝會導致7N01鋁合金焊接接頭熱影響區域腐蝕性能降低，分析原因是補焊使Zn和Cu元素從基體向晶界處擴散，并產生了額外的熱循環，增加了基體與晶粒的腐蝕電位差[40]。疏健文[41]采用MIG對A7N01S-T5鋁合金攪拌摩擦焊接頭的攪拌區進行補焊，補焊接頭各區耐蝕性優劣排序為：母材區≈MIG焊縫區≈前進側MIG過時效區＞前進側MIG淬火區≈后退側MIG淬火區＞后退側MIG過時效區＞熱機影響區＞熱影響區。

2.4 腐蝕環境

在不同的腐蝕環境下，7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕性能各不相同，目前的研究主要采用電化學測試和室內加速模擬試驗。馬傳平等[42]研究A7N01-T5和A7N01-T4鋁合金雙脈沖MIG焊頭在不同介質中的電化學腐蝕行為，發現母材及焊縫在NaNO3溶液中耐腐蝕性最好，Na2SO4溶液中次之，NaCl溶液中最差。趙朋成等[43]對A7N01S-T5鋁合金MIG焊接接頭的應力腐蝕行為進行分析，發現母材和焊接接頭在腐蝕性環境下的腐蝕敏感性比相應的大氣環境中好，且在相同環境下焊接接頭的應力腐蝕敏感性比母材好。與空氣中的抗拉強度相對比，腐蝕環境下母材抗拉強度下降了6.9%，焊接接頭抗拉強度下降了15.7%；由母材和焊接接頭不同慢應變拉伸條件下的應力腐蝕敏感指數曲線可知，母材和焊接接頭的應力腐蝕敏感指數均隨慢應變速率的升高而增大。林松等[44]對7N01鋁合金薄板進行了正反面各一道次的雙面攪拌摩擦焊，并通過慢應變速率拉伸實驗研究了接頭的應力腐蝕敏感性。結果表明，在空氣和NaCl溶液中，焊接接頭均在熱影響區拉伸斷裂，熱影響區為薄弱區；攪拌摩擦焊接頭的拉伸性能低于母材，并且接頭具有更高的應力腐蝕敏感性。結合斷口形貌可知，在NaCl溶液中，焊接接頭熱影響區活潑的晶界強化第二相作為陽極與基體形成腐蝕微電池，第二相不斷溶解產生點蝕[45]。

3 提升耐蝕性的技術途徑

相關研究指出，減少晶界析出相和基體之間的潛在差異[46]以及打斷晶界析出物沿晶界的連續分布[47]可以提高Al-Zn-Mg（-Cu）鋁合金的耐腐蝕性。7N01鋁合金焊接接頭防腐蝕方法主要有：

（1）降低預析出溫度。隨著預析出溫度的降低，合金應力腐蝕擴展速率呈明顯下降趨勢。在低應力強度因子條件下，預析出溫度越低，越不易發生裂紋擴展[48]。

（2）焊后熱處理。焊后熱處理可以釋放部分或全部殘余應力，保護焊件不受某些腐蝕，使材料部分均勻化，從而減少電位差。研究表明，隨著固溶溫度的升高，接頭的晶間腐蝕程度先減小后增大[49]。

（3）表層保護。表層保護是一種表面處理方法，包括微弧氧化、陽極氧化和包鋁層等。通過表層保護可以明顯提高焊接接頭防腐效果，進而提高工件的使用壽命。李波等[50]發現包鋁層對A7N01P-T4基體以及焊接接頭的熱影響區具有較好的防護作用。采用微弧氧化技術在7N01-T5鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面制備的陶瓷涂層具有優異的耐蝕性，沸水密封處理可生成水合氧化鋁，使孔壁膨脹、孔徑減小，可大大提高試樣的耐腐蝕性，在應力腐蝕敏感性試驗中持續96 h后失重僅為2.6 mg[51]。

4 結論

7N01鋁合金焊接接頭腐蝕性能研究主要集中在：（1）研究焊接工藝及參數、熱處理、腐蝕介質等對7N01鋁合金腐蝕類型、腐蝕行為的影響；（2）探討腐蝕與組織成分的關系，研究焊接接頭不同區域的腐蝕敏感性，并對焊接接頭腐蝕演變規律及腐蝕機理進行研究；（3）室內加速實驗（鹽霧試驗、應力腐蝕實驗等）模擬實際服役環境的腐蝕行為；（4）研究提升焊接接頭耐蝕性的技術途徑。

總體上看，國內外對7N01鋁合金焊接接頭腐蝕性能研究多集中在實驗室條件下進行，對于實際服役環境下焊接接頭腐蝕研究報道較少。由于7N01鋁合金焊接接頭的腐蝕環境相當復雜，對其在實際環境中使用壽命的評價，亟需開展一系列腐蝕環境下的腐蝕行為研究，以獲得7N01鋁合金焊接接頭使用性能與腐蝕行為之間內在聯系，為正確選擇焊接材料和制定焊接工藝提供指導。同時，研究不同腐蝕類型之間的相互作用，根據焊接環境和焊接材料的特點，分析腐蝕類型的影響因素和機制，對進一步提升焊接接頭耐蝕性具有重要意義。