電弧增材制造（WAAM）憑借其制造成本低、沉積速率快、能量利用率高等特點，適用于結構復雜、大尺寸及快速近成型結構件。隨著航空航天、國防兵器以及軌道交通等領域的零部件向高性能、輕量化、低成本等方面的發展，典型構件越來越多采用輕量一體化設計，推動了鋁合金增材制造技術在這些領域的應用。然而，電弧增材制造過程中復雜的熱循環作用促使高強鋁合金發生冶金轉變，導致合金化學性質的不均一性，使其耐腐蝕性能降低及在腐蝕介質中承載能力變差。本工作選用ER5356鋁合金焊絲作為原材料，采用冷金屬過渡（CMT）技術成功制備出形貌較好的堆積件，研究沉積方向不同部位的微觀組織結構、電化學腐蝕特性以及慢應變速率應力腐蝕特征，并結合斷口微觀形貌分析等進一步揭示其腐蝕機制。

本工作聚焦于5356鋁合金WAAM堆積體的微觀組織結構、不同部位的電化學腐蝕特性以及沿堆積方向試樣的慢應變速率應力腐蝕敏感指數，表征了堆積體織微觀組織結構與耐腐蝕行為，揭示電弧增材5356鋁合金材料腐蝕機制，為電弧增材5356鋁合金材料耐腐蝕性提升以及工程應用提供理論支持。

圖1為5356鋁合金WAAM堆積體微觀組織結構形貌，基體分為沉積層和結合層。沉積層組織為具有不明顯相界的α-Al基體以及黑色細小顆粒狀的β（Al₃Mg₂）相，結合層組織為α-Al基體和細小顆粒以及大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相。大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相是由于上層金屬沉積過程中加熱和冷速較快，熱輸入不足以使下層沉積金屬中的β（Al₃Mg₂）相完全固溶，反而在冷卻過程中促使鎂元素進一步析出，并以離異共晶β（Al₃Mg₂）相的形態聚集長大。

圖1 5356鋁合金WAAM堆積體微觀組織結構（a）和晶粒形貌（b）

圖2和表1為5356鋁合金WAAM堆積體不同部位的動電位極化曲線及結果。從自腐蝕電位來看，沉積層自腐蝕電位最高，說明其腐蝕傾向最小；從自腐蝕電流密度來看，結合層自腐蝕電流密度最高，沉積層的自腐蝕電流密度最低，為結合層的23%，說明結合層腐蝕速度最快，沉積層腐蝕最慢。不同部位腐蝕性能差異與其組織狀態具有重要關系，結合層因聚集低腐蝕電位的大塊離異共晶β（Al₃Mg₂）相，耐腐蝕性最差，是增材制造樣件中耐腐蝕性最薄弱的部位。

圖2 5356鋁合金WAAM堆積體不同部位的動電位極化曲線

表1  動電位極化過程中試樣不同部位對應的腐蝕特征結果

圖3為5356鋁合金WAAM堆積體試樣在惰性和腐蝕性介質中慢應變速率拉伸應力-應變曲線，應力腐蝕敏感指數ISSRT為0.57。圖4為試樣在腐蝕性介質中斷口SEM形貌，圖4（b）為腐蝕裂紋萌生區和擴展區形貌，試樣表面無縮頸，裂紋萌生區可見點狀腐蝕坑。圖4（c）為裂紋擴展區與塑性斷裂區形貌，塑性斷裂區呈韌窩狀特征。對裂紋萌生區進一步放大，如圖4（d）所示，可以看到晶界腐蝕空隙以及晶粒表面的點蝕坑，晶界空隙可能是由于沿晶分布的大塊β（Al₃Mg₂）相被完全腐蝕而殘留下來，點蝕坑則可能是由于沿晶分布的大塊β（Al₃Mg₂）相表面呈顆粒狀，經過腐蝕后原嵌入基體的顆粒狀β（Al₃Mg₂）相消失，故在斷口表面呈現出空穴狀凹坑。

圖3  5356鋁合金WAAM堆積體慢應變速率應力腐蝕應力-應變曲線

圖4 5356鋁合金WAAM堆積體試樣在3.5%NaCl腐蝕介質中的斷口形貌

（a）全貌；（b），（c）圖10（a）部分放大圖；（d）圖10（b）部分放大圖

圖5所示為慢應變速率應力腐蝕試樣表面和剖面形貌，圖5（b）為體視顯微鏡下惰性介質中試樣表面形貌，試樣表面局部存在個別細小裂紋，經磨拋腐蝕后發現其斷裂位置為結合層，如圖5（d）所示。圖5（e）為圖5（d）的局部放大，其失效模式為沿晶+穿晶復合開裂。圖5（c）為體視顯微鏡下腐蝕介質中試樣表面形貌，存在多處裂紋區，經拋光腐蝕后發現開裂位置為結合層，如圖5（f）所示。局部放大后，從圖5（g）可以看到其失效模式為沿晶開裂。可以分析得知，結合層處大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相在惰性介質中對基體有割裂作用，在腐蝕性介質中大塊β（Al₃Mg₂）相優先溶解，試樣在拉應力作用下加速沿晶腐蝕開裂。

圖5  5356鋁合金WAAM堆積體應力腐蝕試樣形貌 

（a）宏觀形貌；（b）惰性介質中表面；（c）腐蝕介質中表面；（d），（e）惰性介質中斷口剖面；（f），（g）腐蝕介質中斷口剖面

本團隊依托中國兵器工業第五二研究所煙臺分所有限責任公司、中國兵器科學研究院寧波分院（理化檢測與失效分析實驗室），主要從事材料的理化表征測試、失效分析與司法鑒定以及可靠性評價方向的研究工作。多年來團隊負責橫縱向課題以及失效分析和司法鑒定等近百余項，參與國家/團體標準修制定工作六項，發表學術論文五十余篇。

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