鎂合金焊接接頭耐腐蝕性能研究現狀

崔建紅，吳志生，弓曉園

（太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 前 言

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，密度為1.75～1.85g/cm3，是目前密度最輕的金屬結構材料之一，因其極佳的綜合性能享有“21世紀的綠色工程金屬結構材料”的美稱[1～2]。但是鎂合金的平衡電位為-2.7V，化學活性很高，易發生電化學腐蝕。鎂合金表面形成的氧化膜疏松多孔，在大氣、海洋等環境下對基體的保護能力差。鎂合金中含有雜質元素及合金元素，在使用過程中易產生電偶腐蝕、應力腐蝕或疲勞腐蝕等[3]。鎂合金表面的氧化膜多孔疏松，對基體沒有良好的腐蝕保護作用[4]。焊接后鎂合金由于其性質活潑、熔點低、導熱快、熱膨脹系數大等特點使其在焊接過程中更易出現粗晶，形成低熔共晶體，與其他金屬，同時產生熱裂紋、熱應力、氣孔、蒸發、夾渣等問題[5]，這些缺陷易誘發或者加速鎂合金焊接接頭腐蝕。鎂合金焊接接頭腐蝕是金屬結構失效的形式之一，隨著鎂合金結構件的增加，接頭腐蝕引起更多的研究。本文對鎂合金焊接接頭腐蝕性能的國內外研究現狀進行了綜述，針對鎂合金焊接接頭腐蝕性能研究存在的問題與不足提出一些看法，并提出了進一步研究的建議。

1 鎂合金焊接接頭腐蝕性能國內外研究現狀

Rong-Chang Zeng等[6]人開展了AM50鎂合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕行為的研究。研究發現鎂合金焊接后，由于焊接接頭中發生晶粒細化，導致接頭的腐蝕速率由95.1μA/cm2下降到22.2 μA/cm2，而電位則由-1553mV上升到-1520mV。焊接后，接頭的耐腐蝕性能發生了明顯上升。研究認為接頭內部晶粒細化對于接頭耐腐蝕性能的提高起到了決定性作用。

Bernhard Wielage等[7]人在鎂合金-鎂合金釬焊接頭腐蝕行為的研究中，研究了采用Mg-A1-Zn作為釬料進行焊接的AZ31-AZ31鎂合金接頭的腐蝕行為。結果發現，焊接接頭中間層主要由ZnMg,Mg5Zn2A12, Mg32(Zn,AI)49或MgZn2等組成，盡管這些相的腐蝕電位都比鎂合金基體高，但是這些新相與鎂合金保持了較好的電化學相容性。此外，陽極與陰極面積比相對合適(大陽極小陰極)，所以鎂合金-鎂合金釬焊后，接頭腐蝕行為變化不大。

G.Ben-Hamu等[8]研究了AZ31B鎂合金鎢極氬弧焊接后接頭組織變化與腐蝕行為之間的關系。采用焊接電壓為8～11 V，脈沖電流為140A(100 ms)高電流，60A ( 200ms)低電流，焊接速度為4.0mm/s。焊接后，焊縫的晶粒尺寸由原來的8.12±3.22μm增加到111.27±38.01μm，同時焊接接頭中出現了陰極相偏析現象。結果導致熱影響區的電流密度由35.54μA /cm2增加到36.52μA /cm2，而焊縫電流密度則增加的更為明顯，達到了74.64μA /cm2。氬弧焊焊接后，鎂合金焊縫以及熱影響區中的偏析相與接頭的腐蝕行為有著密切的關系。

M.Ishak等[9]分別研究了添加和未添加銀納米微粒材料的鎂合金AZ31B激光焊搭接接頭的腐蝕行為。采用YAG激光焊接速度為550mm/s。焊接后，添加和未添加銀納米微粒材料的焊接接頭均出現了晶粒細化的現象。激光焊接后，鎂合金接頭的腐蝕速率下降到母材的44%，而添加銀納米微粒材料后，腐蝕速率進一步下降到27%。研究認為，晶粒細化和晶界上的相起到阻礙接頭腐蝕擴展的作用；而添加銀納米微粒材料的焊接接頭，由于粒子的彌散作用，晶粒進一步細化，因而進一步降低鎂固溶體的陽極化現象，結果使焊接接頭耐腐蝕性能進一步提高。

馬穎等[10]人對6 mm厚的AZ31B板材攪拌摩擦焊焊縫進行微弧氧化處理，研究焊縫的微觀組織和微弧氧化前后的耐蝕性。實驗結果表明接頭的微觀組織明顯分為3個區域：焊核區、熱機械影響區及熱影響區，整個組織極不均勻，各組織內晶粒差別較大，其中焊核區晶粒最細小。鹽水浸泡實驗和電化學測試可知，微弧氧化處理前焊縫的耐蝕性比母材差，微弧氧化處理后，焊縫耐蝕性極大提高。攪拌摩擦焊焊接接頭組織比母材細小，雜質和夾雜也都被攪碎并彌散分布，且沒有了雜質和夾雜的阻礙，氧化膜生長更容易，微弧氧化膜厚度要明顯高于母材的微弧氧化膜厚度。

趙紅凱等[11]人研究了AZ31B鎂合金變極性等離子弧加絲焊接組織及腐蝕行為。實驗采用了8mm厚AZ31B鎂合金軋制態板材和直徑為2mm AZ31B鎂合金焊絲。實驗結果發現焊縫區有細小的等軸晶組成，與母材晶粒大小相當，無明顯的晶粒長大跡象，沒有出現過熱組織，過渡區組織呈現出母材和焊縫的混合特征。鹽霧試驗48h以后試樣清洗掉腐蝕產物后的腐蝕形貌發現母材腐蝕坑的數目要多于焊縫區域腐蝕坑的數目，并且腐蝕坑更大更深。中間焊縫區的腐蝕狀況明顯好于兩側母材的腐蝕，可見鎂合金變極性等離子焊縫的耐蝕性強于母材。

葛茂忠等[12]人對AZ31鎂合金TIG焊接件應力腐蝕性能進行了研究，測試鎂合金母材及焊接件熱影響區在質量分數為3.5%溶液中的動電位極化曲線，母材的自腐蝕電位和腐蝕電流分別為-1.459V、1.721×10-8A /cm3，焊接件熱影響區的自腐蝕電位和腐蝕電流分別為-1.486V、2.434×10-8A /cm3，可知焊接后AZ31B鎂合金焊接件在3.5%氯化鈉溶液中的腐蝕傾向將有所增大。鎂合金焊接件應力腐蝕試驗后熱影響區出現了許多微裂紋，裂紋橫向擴展，并很快連接在一起，形成大的裂紋而斷裂。AZ31B焊接件在去離子水中具有較高的應力腐蝕敏感性。

P.B.SRINIVASAN 等人[13]研究了AZ31鎂合金激光自熔焊件的力學性能和應力腐蝕行為。腐蝕試驗后發現母材的抗應力腐蝕性能比焊接接頭略好。應力腐蝕裂紋從焊縫萌生，向熱影響區擴展。用AZ61鎂合金作為填料的焊接接頭裂紋在熱影響區萌生與擴展，由于鋁含量增加焊縫強度和耐腐蝕性能提高，慢應變速率拉伸試驗后發現應力腐蝕裂紋在氫氧化鎂／氧化鎂層形成局部損傷處生成。兩種焊接接頭的抗應力腐蝕性能比母材略差?？捎^察到應力腐蝕裂紋在焊縫萌生并向熱影響區(HAZ)擴展。然而，在以AZ61鎂合金為填料(焊料)獲得的焊接接頭中，觀察到裂紋起源及擴展出現在熱影響區(HAZ)。在慢應變速率拉伸試驗中，由于試樣表面暴露在腐蝕環境中，氫氧化鎂／氧化鎂層形成局部損傷，從而導致應力腐蝕裂紋的生成。

由上可知，鎂合金的焊接工藝不同時，焊接接頭的組織不同，耐腐蝕性能也不同，焊縫中的填充材料影響鎂合金焊接接頭的耐腐蝕性能。

2 焊接接頭腐蝕機理與改善

鎂合金本身電極電位低，易腐蝕，在焊接后微觀組織發生、接頭成分發生變化，使得接頭的腐蝕機制變得復雜。接頭組織中主要有α基體相和晶界處的β相，β相既可以阻礙鎂合金的腐蝕，也可以充當陰極而加速鎂合金的腐蝕。當β相在鎂合金焊接接頭中含量增加并彌散分布在基體時，α基體相開始腐蝕后生成比較致密的氧化膜層，該膜層阻礙了腐蝕的進展；β相不呈網狀分布時，β相就充當陰極加速鎂合金的腐蝕。吳志生等人[14]開展了深冷處理對AZ31鎂合金耐腐蝕影響的研究，采用合適的深冷處理工藝可以使晶粒細化，改善第二相的分布，控制第二相的含量，可以提高鎂合金的耐腐蝕性能。

鎂合金焊接件在受到外加應力和殘余應力時發生塑性變形，在接頭微小區域產生滑移臺階，滑移臺階的高度大于鎂合金焊接件表面鈍化膜的厚度后鈍化膜破裂，在腐蝕介質中鈍化膜金屬與母體金屬形成電化學反應的陰陽極，腐蝕微電池在陽極附近迅速溶解形成蝕坑，應力促進微電池反應最終形成應力腐蝕開裂?？稍诤缚p區的表面形成納米強化層，減少表面的滑移帶和晶界以及晶界上的位錯塞積所引起的應力集中，消除表面各種缺陷，有利于耐腐蝕性能的提高[15]。

稀土元素加入鎂合金后可以細化α基體相和晶界處的β相，較小面積的陰極β相與鎂合金中雜質結合，雜質降低的陰極極性使得電化學反應減慢，接頭耐腐蝕性能提高。稀土加入鎂合金后，容易與氧在鎂合金表面生成致密的稀土氧化物，該化合物化學性質不活潑，在鎂合金表面可以起到鈍化作用，有利于耐腐蝕性能提高；含有稀土的鎂合金在腐蝕過程中腐蝕電流減小，容抗增加，電阻增大，陰極β相析氫變得困難，耐腐蝕性能提高?；诖耍梢匝兄坪邢⊥伶V合金的鎂合金焊絲，改善焊縫組織，提高焊接接頭耐腐蝕性能。

3 結 論

目前盡管鎂合金的耐腐蝕性能研究的比較成熟，但是對鎂合金焊接接頭耐腐蝕性的研究報道不多，鎂合金焊接接頭微觀結構及其腐蝕機制之間的關系沒有系統化，沒有形成成熟的腐蝕理論。由于鎂合金本身具有性質活潑、導熱快、熔點低、熱膨脹系數等特點，接頭熱影響區會發生晶粒粗大，接頭組織中不可避免會出現夾雜和氣孔等缺陷，這些缺陷與接頭不同組織對腐蝕過程的影響研究的很少。

鎂合金焊接接頭在腐蝕過程中涉及腐蝕介質、溫度以及溶液的酸堿性，甚至焊接接頭本身的應力，使得接頭的腐蝕研究復雜化，嚴重影響腐蝕數據的可靠性能與準確性。掌握接頭各種情況下的腐蝕數據，有利于建立復雜情況下腐蝕數據庫。

鎂合金焊接件作為結構材料已經在各個領域廣泛應用，但是鎂合金焊接接頭耐腐蝕性能的研究還處在起始階段。現在許多鎂合金焊接接頭耐腐蝕性的研究都是基于鎂合金腐蝕的研究，研究成果沒有實質性的創新成果。焊接接頭采取的改善措施類似于鎂合金的改善措施，在耐腐蝕性能的提升上有局限性。由于接頭位置的特殊性，適應于鎂合金接頭表面激光處理、離子注入的先進表面處理技術沒有大量的采用，接頭表面微晶化和納米化在提高耐腐蝕性能方面也鮮有報道。隨著科技的發展，除了通過改變焊接接頭組織提高鎂合金焊接接頭耐腐蝕性以外，可以采用高效、無毒、無污染的各種表面技術來提高鎂合金焊接接頭的耐腐蝕性能，如表面復合納米化、激光重熔等。

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