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7075厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭晶間腐蝕行為研究

2018-06-11 15:36:55 作者：本網整理來源：鋁加工分享至：

前言

7075鋁合金具有較高的比強度、彈性模量、斷裂韌性，因此廣泛用于制造飛機的梁、起落架零件等。隨著航天航空技術的興起，對于厚板鋁合金在航空工業上的應用變得越來越廣泛。1991年發明的攪拌摩擦焊（FSW）能很好的解決鋁合金在熔化焊時產生的焊縫金屬凝固裂紋、熱影響區軟化及應力集中等常見問題，因此在航空領域得到了廣泛的應用。

目前，對于厚板鋁合金FSW接頭性能的研究主要集中在接頭的力學性能，但關于厚板鋁合金FSW接頭沿厚度方向的腐蝕行為的報道不多。厚板鋁合金在FSW時，在板厚方向存在大的溫度梯度，導致在焊接過程中焊縫厚度方向金屬塑化程度和流動行為存在差異，造成組織結構不同，進而使得接頭沿板厚方向存在腐蝕性能差異。

Xu等對14mm厚的2219-O鋁合金FSW接頭焊核區上中下3個位置的點蝕行為進行了研究，焊核上部區域相比于下部區域表現出了更好的耐蝕性能。胡百暉等對8mm厚的LY12鋁合金FSW焊縫進行分層腐蝕。研究結果表明，沿厚度方向向下，焊核區腐蝕程度逐漸變大，而熱機影響區（TMAZ）和熱影響區（HAZ）的腐蝕程度逐漸減小。

對于鋁合金材料來說，晶間腐蝕是常見的腐蝕形式之一，而且腐蝕前期不容易被發現，給使用這些材料的飛機和船舶帶來了嚴重的安全隱患。目前對于厚板鋁合金FSW焊縫的晶間腐蝕行為的研究較少。

因此，本文以20mm厚的7075鋁合金板材為研究對象，沿焊縫厚度方向對FSW接頭進行分層晶間腐蝕，研究各層各區域的晶間腐蝕行為，分析組織結構對厚板7075鋁合金FSW接頭晶間腐蝕行為的影響。

1 實驗方法

實驗材料為20mm厚的AA7075-T6鋁合金板材，其化學成分（質量分數，%）為Si0.1，Zn5.43，Mn0.06，Ti0.03，Fe0.36，Cu1.6，Cr0.2，Mg2.7，Al余量。實驗選定在自制的攪拌摩擦焊設備上進行。選用的攪拌頭軸肩36mm，錐形的攪拌針端部直徑8mm、根部直徑14mm、長19.7mm。FSW工藝參數為：旋轉速率235r/min，焊接速率30mm/min，傾斜角度2°，下壓量0.5mm。

沿焊件水平面截取金相試樣，打磨、拋光后，用Keller試劑腐蝕，采用Zeiss Axioscope A1型光學顯微鏡對接頭各區進行微觀組織觀察。晶間腐蝕試樣截取示意圖見圖1。

圖1 晶間腐蝕試樣截取示意圖

將切好的50mm×10mm×20mm的接頭沿厚度方向每隔4mm切成1個50mm×10mm×4mm的試樣，共計5個試樣，并從上到下將5個試樣分別標號為1#，2#，3#，4#和5#。將試樣的上表面打磨、拋光，然后按GBT7998-2005鋁合金晶間腐蝕測定方法進行晶間腐蝕實驗。腐蝕介質為57g NaCl+1000mL H2O+10mL H2O2溶液。

選取各層上表面為腐蝕面，非腐蝕面進行密封處理；腐蝕溫度為（35±2）℃，腐蝕時間為6h。腐蝕后，取20g CrO和50mL H3PO4加水稀釋到1000mL后，加熱到80℃，然后將腐蝕試樣浸泡5~10min，去除腐蝕產物。

采用光學顯微鏡測量晶間腐蝕深度，用Canon EOS 50D單反相機對試樣腐蝕宏觀形貌進行觀察，用VEGA II LMH型掃描電子顯微鏡（SEM）及自帶能譜儀（EDS）對試件各區微觀腐蝕形貌進行觀察及各區域內第二相粒子EDS分析。

2 結果與討論

2.1腐蝕宏觀形貌

圖2為接頭橫截面宏觀形貌圖。根據組織特征形貌可以將接頭分為4個區域：焊核區（NZ）、熱機影響區（TMAZ）、HAZ和軸肩影響區（SAZ）。圖中AS為前進邊，RS為返回邊。本文將NZ和SAZ視為焊縫中心區。

圖2 7075鋁合金焊接接頭橫截面宏觀形貌圖3是沿板厚方向各層試樣上表面晶間腐蝕宏觀形貌。從圖3并且參照圖2各區位置可見，HAZ因存在大量腐蝕坑，對光的漫反射作用增強而顏色明顯偏暗，說明腐蝕程度嚴重，而焊縫中心區和TMAZ的顏色比較白亮，說明腐蝕程度較輕。圖3a為焊縫上表面的SAZ，可見大量的腐蝕坑，表明其腐蝕程度較下部NZ嚴重。

圖3 沿板厚方向各層試樣上表面晶間腐蝕宏觀形貌

2.2腐蝕微觀形貌

圖4 3#試樣各區晶間腐蝕顯微形貌圖

4為3#試樣各區晶間腐蝕顯微形貌。可以看出，不同的區域表現出不同的腐蝕行為，NZ腐蝕程度最輕，HAZ腐蝕最嚴重。

由圖4b和c可見，NZ分布大量點蝕坑，且出現了明顯的晶間腐蝕。由圖4e可見，HAZ部分區域表層晶粒發生了大量脫落，出現了嚴重的剝蝕現象，同時可見大量腐蝕坑分布其上，表明HAZ不僅出現了晶間腐蝕，還伴隨著點蝕和剝蝕現象。由圖4f可見，晶粒晶界和晶粒內部都遭受了嚴重的腐蝕，逐漸向基體內部腐蝕。

由圖4h可見，TMAZ區存在大量不規則的腐蝕坑，腐蝕坑內仍有未脫落的第二相粒子（如圖中箭頭所示）。由于晶界被腐蝕，可以從圖4i觀察到特征明顯的TMAZ晶粒組織。因此，TMAZ內晶間腐蝕和點蝕同時存在。

2.3晶間腐蝕深度

表1 沿板厚方向試樣各層各區晶間腐蝕深度

表1為沿焊縫厚度方向各層試樣各區晶間腐蝕深度的測量值?？芍?，焊縫中心區域的SAZ和NZ腐蝕深度最小，HAZ腐蝕深度最大，這與宏觀和微觀腐蝕形貌結果一致。焊縫中心最大腐蝕深度出現在1#試樣的SAZ，腐蝕深度為23.8μm。圖5為3#試樣各區晶間腐蝕深度測量圖。

圖5 3#試樣各區晶間腐蝕深度測量圖

由圖5b可見，TMAZ腐蝕后形貌呈波浪狀，這與TMAZ扭曲變形的組織結構相一致，也從側面印證了腐蝕沿晶間進行。從表1可知，TMAZ的最大腐蝕深度出現在焊縫中部的3#試樣上，最大腐蝕深度為68.5μm。結合圖5c可知，HAZ表現出最嚴重的腐蝕傾向，最大腐蝕深度出現在焊縫最上部的1#試樣的HAZ上，深度為123.8μm。

2.4接頭微觀組織及第二相分布

圖6 1#，3#和5#試樣沿焊縫厚度方向水平面不同區域微觀組織形貌

圖6為沿焊縫厚度方向水平面不同區域的微觀組織形貌。由圖6a-c可見，焊縫中心區為細小的等軸晶，沿焊縫向下晶粒尺寸略微變大。這是因為焊縫中心上部金屬材料受到軸肩的擠壓摩擦和攪拌針的雙重摩擦攪拌作用，溫度最高，晶粒發生了充分的動態再結晶，所以晶粒最為細?。谎匕搴裣蛳?，溫度和攪拌作用逐漸減弱，晶粒動態再結晶程度沒有上部那么充分，所以晶粒尺寸逐漸變大。

由圖6d-f可見，TMAZ組織發生嚴重變形，在垂直于軋制方向呈彎曲的長條狀，晶粒尺寸沿板厚方向，先變大后變小。這是因為TMAZ上部組織由于受到的溫度較高，塑性擠壓作用較強，所以部分晶粒發生再結晶變成細小的等軸晶；TMAZ中部組織塑性流動較為強烈，晶粒為彎曲的長條狀，晶粒尺寸較大；TMAZ下部范圍較窄，緊貼NZ，受到攪拌針帶動的塑性金屬擠壓作用，晶粒為長條狀和不規則塊狀，晶粒尺寸略小于中部的。

由圖6g-i可見，HAZ沿板厚方向晶粒尺寸逐漸變小，這是因為沿板厚方向溫度逐漸降低，HAZ組織粗化程度減弱。

圖7為1#試樣各區第二相分布，表2為第二相粒子成分分析。

圖7 1#試樣各區第二相分

布表2 第二相粒子成分分析

可見，3個區域的第二相粒子形貌都呈不規則塊狀。NZ第二相粒子尺寸最小，分布最均勻，尺寸約為1-10μm；TMAZ中第二相粒子分布均勻性較差，尺寸約為1-15μm；HAZ中第二相粒子分布最不均勻，成串排列，尺寸約為5-20μm。

由表2的粒子成分分析可以確定，這些不規則塊狀第二相粒子可能是由7075鋁合金在鑄錠凝固過程中形成的FeCrAl7和FeAl3等粗大難溶相和FSW過程的高溫析出相共同組成的。

分析認為，工業使用的7075鋁合金在鑄錠凝固過程中會形成FeCrAl7和FeAl3等粗大難溶相，在隨后的加工過程中被破碎，往往排列成串。

當厚板7075鋁合金在FSW時，由于焊縫中心區攪拌針的機械作用強，這些難溶第二相發生破碎，尺寸減小，并隨著金屬塑性流動分布較為均勻，所以NZ第二相粒子尺寸最??；HAZ只受到熱循環的作用，第二相粒子發生粗化，所以尺寸最大；TMAZ介于NZ和HAZ之間，同時又受到流動金屬的擠壓作用，第二相部分發生破碎，但效果遠遠弱于NZ中的，因此該區第二相尺寸和分布均勻性介于NZ和HAZ中的之間。

2.5分析與討論

鋁合金發生晶間腐蝕的主要原因是在晶界存在連續析出相和無沉淀析出帶，鋁合金中第二相往往優先在晶界處析出，造成晶界附近化學溶質偏聚，產生電位差，發生電化學反應。

由于晶粒越大，在晶界析出的第二相粒子越多，晶界處發生沿晶腐蝕的傾向就越大，并且大尺寸晶粒，有利于腐蝕介質通過連續晶界向金屬深層發展。對于本研究中的7075鋁合金FSW接頭，焊縫中心區組織為細小的等軸晶，所以晶間腐蝕傾向最小，而HAZ受熱循環影響組織發生粗化，晶間腐蝕傾向最大。

在焊縫中心沿板厚向下，晶粒尺寸逐漸變大，增大了晶間腐蝕傾向。但從表2可知，1#試樣SAZ的晶間腐蝕深度大于焊縫下部的3#和5#試樣NZ的晶間腐蝕深度。這是因為焊縫上表面SAZ的金屬由于受到攪拌頭反復擠壓，形成周期性弧紋結構，大量的第二相粒子也呈周期性聚集在弧紋的波谷位置，增大了SAZ化學溶質原子偏析程度，加重了SAZ的腐蝕程度。

HAZ沿焊縫厚度向下，晶粒尺寸先增大后減小，所以腐蝕深度也呈現為中間最大，下部次之，上部最??；而HAZ只受熱循環的影響，組織發生粗化，沿著板厚方向向下組織粗化程度逐漸減小，因此，HAZ晶間腐蝕深度沿板厚方向向下也逐漸變小。

另一方面，點蝕往往是晶間腐蝕的開端，而第二相粒子是鋁合金腐蝕的起源。接頭各區域中的大尺寸含Fe難溶相電位偏正，與周圍Al基體形成微區電偶對，周圍Al基體作為陽極被腐蝕，最后導致這些第二相粒子完全脫落，留下腐蝕坑。

在焊縫中心區第二相粒子尺寸較小，分布較均勻，留下的大量均勻的小腐蝕坑，減弱了腐蝕介質進一步向金屬內部傳輸。在HAZ中的第二相粒子尺寸最大，腐蝕脫落后留下了較大的腐蝕坑，促進了腐蝕向金屬內部進行，腐蝕介質通過腐蝕缺陷不斷向基材內部腐蝕。而且，HAZ的板條狀組織的晶粒長寬比較大，為晶間腐蝕提供了一個連續的發展空間，使腐蝕產物連續分布，產生鍥形力，易于發生剝落腐蝕。

3 結論

1. 7075Al合金FSW焊接接頭焊縫中心區組織為細小等軸晶，第二相分布均勻，晶間腐蝕程度最輕；HAZ晶粒尺寸最大，第二相分布均勻性相比最差，晶間腐蝕程度最嚴重。

2. 各區晶間腐蝕程度沿板厚向下，NZ逐漸變大，TMAZ先增大后減小，HAZ逐漸變小。

3. 7075厚板鋁合金FSW接頭各區沿板厚方向晶粒大小和第二相粒子尺寸及分布存在的差異，是造成接頭各區沿板厚方向晶間腐蝕程度不同的主要原因。

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責任編輯：韓鑫

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