焊后時效處理對7020鋁合金應力腐蝕傾向影響

周永東, 龔蘭芳, 劉梓屹

(中車株洲電力機車有限公司, 湖南 株洲 412005)

隨著航空航天、軌道交通等重要行業的迅速發展,對各類結構件材料也有著更加嚴苛的要求[1-2]。7系鋁合金起源于20世紀20年代的德國,是一種高強度鋁合金,其主要合金元素為Zn、Mg、Cu等,具有高強輕質等優點[3]。正是因為7系鋁合金的這些優點符合未來工程輕量化發展趨勢,使得7系鋁合金被廣泛應用于重大裝備制造領域。對于工程復雜的結構件,若采用鑄造成型則容易產生大量的氣孔和其他缺陷,所以鋁合金結構件更多是以焊接的方式連接各個零部件從而達到整個結構件形狀尺寸要求。

受電弓是軌道交通各類產品重要部件,起到獲取電能的作用,受電弓上框架主要是由7系鋁合金焊接而成,在服役過程中由于應力和腐蝕介質的影響,7系鋁合金容易出現應力腐蝕開裂(Stress corrosion cracking, SCC)[4-5],這將嚴重縮短受電弓的服役壽命。已知鋁合金應力腐蝕機理主要有陽極溶解[6]和氫脆理論[7-8],而合理正確的焊后熱處理是一種有效的抑制鋁合金焊后應力腐蝕傾向的一種方法[9-11]。

雖然前人們對抑制鋁合金SCC傾向做了較多工作,但更多的是對鑄造件進行整體熱處理,而對7系鋁合金焊后熱處理研究較少,由于焊接接頭的母材-熱影響區(Heat affected zone,HAZ)-熔池等區域溫度分布不均,各個部分的SCC傾向也不盡相同,所以探究出一種用于7系鋁合金焊后減輕SCC傾向的熱處理工藝是非常具有實際工程意義的。本文工作主要為利用焊接機器人制備一批相同焊接參數的7020鋁合金對接試樣,對焊接接頭試樣分別進行自然時效、單級時效、雙級過時效、回歸再時效(Retrogression and re-aging,RRA),之后再對不同焊后熱處理的接頭試樣進行剝落腐蝕試驗和慢應變速率拉伸(Slow strain rate tensile,SSRT)應力腐蝕試驗,并對斷口進行微觀組織分析,探究不同焊后熱處理工藝對7020鋁合金焊接接頭SCC傾向影響。

1 試驗材料與方法

本試驗采用的各類焊接參數如表1所示,采用直讀光譜儀對7020母材進行化學成分分析,結果如表2所示。各個試樣采用相同的焊接參數,焊后進行射線探傷,消除焊接缺陷對試驗結果的影響。將焊后試樣進行不同形式的熱處理,各種熱處理工藝如圖1所示。根據熱處理手冊[12]指導,單級時效選用127 ℃×24 h,雙級過時效127 ℃×8 h+160 ℃×12 h,回歸再時效127 ℃×3 h+175 ℃×30 min+127 ℃×12 h。

圖1 不同焊后時效處理工藝流程圖Fig.1 Flow chart of different post-weld ageing processes

表1 焊接試樣制備的焊接參數Table 1 Welding parameters for preparation of welding specimens

表2 7020鋁合金母材化學成分(質量分數,%)Table 2 Chemical composition of the 7020 aluminium alloy base material (mass fraction,%)

7020鋁合金焊接接頭剝落腐蝕檢測參考GB/T 22639—2022《鋁合金加工產品的剝落腐蝕試驗方法》執行,試樣尺寸為40 mm×30 mm。依次用砂紙對試樣進行逐級打磨,并用金剛石研磨膏進行拋光,清洗并吹干,使合金表面光潔,之后浸泡在234 g/L NaCl+50 g/L KNO3+6.3 mL/L HNO3溶液中48 h(室溫條件下)。

根據GB/T 15970.7—2017《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗 第7部分:慢應變速率試驗》設計慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗,該試驗常用作將材料-環境體系的SCC敏感性進行快速分類的試驗方法。該試驗在室溫下進行,腐蝕介質選用3.5%NaCl溶液,惰性介質選用硅油,應變速率為10-6s-1,SSRT試樣尺寸示意圖如圖2所示。之后,再采用ZEISS MA10掃描電鏡斷口形貌觀察和分析。制備鋁合金接頭圓片試樣,采用MTP-1A型雙噴電解減薄儀對圓片試樣進行減薄、穿孔,雙噴電解液為30%HNO3+70%CH3OH;使用FEI TECNAI G2 20分析電鏡觀察材料中析出相粒子的形貌、大小、分布及晶內、晶界析出狀態等,將溫度控制在-20 ℃以下,電流50～70 mA,電壓25 V。

圖2 慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗試樣尺寸Fig.2 Specimen size for slow strain rate tensile stress corrosion test

2 試驗結果及分析

2.1 不同環境下慢應變速率拉伸試驗

在不同環境下,不同焊后熱處理的鋁合金焊接試樣SSRT測試結果如表3所示。從表3可見,在NaCl溶液中所有試樣的抗拉強度比惰性介質中的試樣都有著一定程度的下降。自然時效和單級時效的焊接試樣在NaCl溶液中的伸長率和斷裂時間都比惰性介質中有明顯的下降,經雙級過時效和回歸再時效處理后的焊接試樣在NaCl溶液中的伸長率和斷裂時間相差不大。單級時效后的試樣抗拉強度較自然時效的試樣有所提高,而雙級過時效和回歸再時效處理的試樣抗拉強度有所損失,但所有經焊后熱處理的試樣的伸長率和斷裂時間都比自然時效試樣有所提高。

表3 不同焊接試樣在不同環境下SSRT測試結果Table 3 SSRT test results for different welding specimens in different environments

單一的評價抗拉強度和伸長率不足以說明某試樣應力腐蝕傾向,所以引用應力腐蝕指數ISSRT,ISSRT相比單一性能指數能更好地反應SCC傾向,ISSRT計算式

如式(1)[13]所示:

(1)

式中:RIw為腐蝕介質中的抗拉強度;RIA為惰性介質中抗拉強度;AIw為腐蝕介質中的斷后伸長率;AIA為惰性介質中的斷后伸長率。不同焊接試樣的ISSRT如表4所示,由此可見,單級時效可以有效地提高接頭抗拉強度,但會加大接頭SCC傾向,而雙級過時效和回歸再時效雖然損失了強度,但是有效地減輕了接頭的SCC傾向。

表4 不同焊后熱處理試樣的應力腐蝕指數Table 4 Stress corrosion index of different post-weld heat treated specimens

2.2 斷口分析

不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣在3.5%NaCl溶液中SSRT試驗后斷口形貌如圖3所示。由圖3所見,自然時效后的試樣斷口形貌能觀察到一部分的沿晶和韌窩混合型斷口,晶界處有深度淺的小韌窩,也伴隨著一定量的腐蝕產物,這是明顯的沿晶腐蝕斷口形貌;單級時效后的試樣斷口形貌是明顯的沿晶斷口,這是典型的脆性沿晶斷裂,說明單級時效后試樣對SCC敏感性高;雙級過時效和回歸再時效后的試樣是典型的韌窩斷裂,斷口表面也伴隨著少量的腐蝕產物,雙級過時效和回歸再時效后試樣在斷裂過程中發生了塑性流動,而回歸再時效后試樣的塑性流動更加劇烈,其斷口韌窩也更加深,這意味著回歸再時效后試樣具有更好的塑韌性和更低的SCC傾向,這都與SSRT試驗數據所展現的結果一致。

圖3 不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣斷口形貌(a,b)自然時效;(c,d)單級時效;(e,f)雙級過時效;(g,h)回歸再時效Fig.3 Fracture morphologies of the aluminum alloy welding specimens with different post-welding aging treatments(a,b) natural aging; (c,d) one-step aging; (e,f) two-step over-aging; (g,h) retrogression and re-aging

2.3 表面形貌和微觀結構分析

不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣表面形貌圖如圖4所示,7020鋁合金焊接接頭的焊縫區為樹枝狀晶鑄態組織,熔合區靠近焊縫一側晶粒為等軸晶粒,但大小不均勻,并有少量沿散熱方向生長的柱狀晶,焊縫的合金化程度低于母材,其組織形態和成份決定了焊縫對應力腐蝕有較低的敏感性。氣孔是影響SCC傾向性的一個重要因素,焊接后自然時效(未熱處理)的焊縫及熱影響區存在較多氣孔,而這些氣孔極易形成裂紋源,儲存更多的氫,所以極易在氣孔處形成氫脆,提供SCC條件。單級時效后的焊縫組織氣孔增加,使之SCC傾向增大;而雙級過時效和回歸再時效后的焊縫組織氣孔減少,SCC傾向減輕。不同熱處理狀態下的試樣顯微組織形貌無明顯差異,說明在光學顯微鏡級別已無法辨別熱處理工藝對組織的影響,需借助分辨率更高、放大倍數更大的透射電鏡進行分析。

圖4 不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣顯微組織(a,b)自然時效;(c,d)單級時效;(e,f)雙級過時效;(g,h)回歸再時效Fig.4 Microstructure of the aluminum alloy welding specimens after different post-welding aging treatments(a,b) natural aging; (c,d) one-step aging; (e,f) two-step over-aging; (g,h) retrogression and re-aging

不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣TEM明場像如圖5所示,自然時效后的試樣熱影響區晶界附近的無沉淀析出帶(Precipitation free zone,PFZ)范圍很窄,但是在晶界上析出了大量粗大的晶界析出物(Grain boundary precipitates,GBP),這不利于焊縫抵抗應力腐蝕;熱處理后的接頭熱影響區中的PFZ寬化,而寬化的PFZ被證明有較好的抑制SCC傾向的作用[14-15],雖然單級時效后的試樣熱影響區晶界附近出現了較寬的PFZ,但是在晶界上同樣析出了大量粗大的GBP,同時晶內析出相(Grain precipitates,GP)也分布不均且粗大,這些析出物都將增大SCC敏感性;雙級過時效處理后的焊接接頭熱影響區中的GBP變得均勻連續且細小,GP也得到了細化所以抑制了SCC傾向;RRA焊接接頭熱影響區GBP消失,GP相比雙級過時效試樣中的GP進一步細化,這有利于降低焊接接頭的SCC敏感性。相較于其他3種狀態,RRA處理后的焊接接頭抗應力腐蝕能力最好,這與SSRT試驗結果一致。

圖5 不同焊后時效處理的鋁合金焊接試樣TEM明場像(a)自然時效;(b)單級時效;(c)雙級過時效;(d)回歸再時效Fig.5 TEM bright field images of the aluminum alloy welding specimens after different post-welding aging treatments(a) natural aging; (b) one-step aging; (c) two-step over-aging; (d)retrogression and re-aging

3 結論

1) 在3.5%NaCl溶液中,以10-6s-1的應變速率進行SSRT試驗時,單級時效后的試樣有更高的SCC傾向,雙級過時效和RRA處理后的試樣展現出比自然時效(未熱處理)的試樣更好的抗SCC性能。

2) SSRT試驗后自然時效試樣主要是沿晶腐蝕斷口形貌;單級時效后的試樣斷口形貌是明顯的沿晶斷口;雙級過時效和RRA處理后的試樣是典型的韌窩斷裂。

3) 熱處理可以使接頭熱影響區的無沉淀析出帶寬化,單級時效后析出大量的不均勻的粗大的晶界析出物和晶內析出相降低了抗SCC性能;雙級過時效處理細化了晶內析出相,晶界析出物也變得連續均勻;RRA進一步細化了晶內析出相,晶界析出物消失,從而展現出最低的SCC敏感性。