2219鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在中性介質中的腐蝕行為

梁蘇瑩

(首鋼工學院,北京 100144)

2219鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在中性介質中的腐蝕行為

梁蘇瑩

(首鋼工學院,北京 100144)

采用微型電池(Microcell)和浸泡腐蝕試驗研究了2219-O鋁合金攪拌摩擦焊接接頭在0.5 mol/L NaCl中性溶液中的微區電化學特征和腐蝕行為，通過光學輪廓儀分析了經14 d浸泡后接頭的均勻腐蝕深度以及點蝕形貌、深度和密度，討論了影響腐蝕行為的機理。結果表明：接頭在無外電流干擾下即發生點蝕。與母材相比，熱影響區的腐蝕行為沒有明顯改變；熱機械影響區的耐蝕性略有提高；軸肩作用區(SAZ)因θ相回溶和被打碎，提高了基體中固溶的Cu含量，降低了SAZ的腐蝕速率以及點蝕深度、體積和密度，耐蝕性提高。

2219鋁合金；攪拌摩擦焊；中性NaCl溶液；腐蝕行為；微區電化學特性

2219鋁合金在-253～200 ℃具有優良的力學性能，是制造大型運載火箭燃料貯箱的理想材料之一[1]。國外一些國家和地區均有采用2219鋁合金制造火箭貯箱的成功案例；我國也已定型采用2219鋁合金來制造新一代運載火箭的推進劑貯箱[2-4]。

2219-T6/T8鋁合金在采用熔焊方法進行焊接時，接頭強度僅為母材的50%～65%[5]。攪拌摩擦焊(FSW)作為一項固相焊接技術，可以改善焊縫區的微結構、消除熔焊時的氣孔和熱裂紋等冶金缺陷，并能顯著提高接頭的力學性能[6-7]。2219-T8鋁合金FSW接頭的抗拉強度可達母材的75.4%，且變形量小、殘余應力低[8]。我國新一代運載火箭筒段縱縫將采用FSW技術[4]。

2219鋁合金作為一種高含Cu合金，在室溫下會有大量的θ(Al2Cu)相存在[9]；且θ相易在晶界析出，導致晶界附近存在無沉淀析出帶(PFZ)[10]。由于θ相與鋁基體之間的電化學性能差異，在腐蝕環境中，由θ相引起的點蝕或晶間腐蝕(IGC)常常會引起Al-Cu合金失效[11-12]。

FSW接頭各區經歷了不同的焊接熱循環，導致各區中的第二相發生了不同的演變[13]，這使得各區之間的腐蝕性能存在差異。Xu等[14-15]對2219-O態鋁合金FSW接頭在中性和堿性(pH為12)介質中點蝕行為的研究表明，經FSW后焊核區(WNZ)的點蝕電位提高，認為這主要與FSW細化了WNZ中作為點蝕起源的θ相有關；Kang等[11]對2219-T8鋁合金FSW接頭在鹽霧環境中的腐蝕行為進行研究，結果表明，與母材(BM)相比，熱影響區(HAZ)發生了更為嚴重的晶間腐蝕，而熱機械影響區(TMAZ)和WNZ由于第二相部分回溶導致耐蝕性提高，僅發生了點蝕。

總結已有研究發現：(1) 第二相的存在狀態對2219鋁合金FSW接頭各區域的腐蝕行為有重要的影響，然而對于2219-T6/T8鋁合金而言，由于母材中含有GP區、θ″相、θ′相和θ相，焊后接頭各區第二相發生不同的演變[13]，這使得研究各區腐蝕行為變得復雜。在諸多第二相中，θ相尺寸大、含量多，且相對合金基體電位高，是影響點蝕發生最主要的因素之一[14,16]。因此，若能單純研究θ相在FSW過程中的演變對接頭腐蝕行為的影響，對理解2219-T6/T8鋁合金FSW接頭的腐蝕行為具有基礎意義。(2) 由于TMAZ范圍窄且形狀不規則[13,17-18]，采用傳統的電化學方法很難準確地對它的電化學參數進行測試，因此需要嘗試一種新的測試方法。(3) 目前關于2219鋁合金FSW接頭點蝕行為的研究大多是定性分析，缺少對接頭各區域的點蝕深度、密度和腐蝕速率等定量分析的數據。

因此，本工作以合金成分簡單、相組成單一的2219-O鋁合金為研究對象，在分析了FSW接頭上表面各區微觀組織的基礎上，采用微型電池(Microcell)方法[19]進行微區電化學性能測試，并對浸泡腐蝕試驗后接頭各區域點蝕深度、密度和腐蝕速率等參數進行定量統計和計算。揭示2219-O鋁合金FSW接頭各區θ相演變對腐蝕行為的影響。

1 試驗

試驗材料為8 mm厚的2219-O鋁合金板材，其化學成分為：wCu6.31%，wMn0.32%，wFe0.23%，wTi0.06%，wV0.08%，wZn0.04%，wSi0.20%，wZr0.13%，余量為鋁。采用攪拌摩擦焊設備對板材進行焊接，攪拌頭順時針旋轉，轉速800 r/min，焊接速率180 mm/min。攪拌頭軸肩直徑為20 mm，攪拌針長7.8 mm。所得焊接接頭(以下簡稱接頭)無缺陷，參考GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，測得接頭的抗拉強度為175 MPa，為母材的92%，伸長率為18.9%，斷裂發生于HAZ。

所有進行電化學測試和浸泡試驗的試樣經砂紙(80～600號)逐級打磨后，均用乙醇進行潤滑研磨，避免與水接觸，盡可能避免發生腐蝕。試樣在測試前采用乙醇進行超聲清洗并吹干。

采用Microcell方法測試接頭上表面不同區域的極化曲線。Microcell的試驗方法和原理可參見文獻[19]，本工作所用Microcell設備的關鍵部件示意圖如圖1所示，工作端(Tip)的內徑為0.8 mm，即測試時工作電極面積約為0.5 mm2。需要指出，與傳統電化學測試相比，Microcell的優勢在于可測試微區電化學性能；此外，它安裝在一套金相顯微鏡上，在測試前通過觀察顯微鏡，可輕松將試樣待測區域調整到位，實現定點測試的目的。因此，Microcell非常適合用于測試焊接接頭各區的電化學性能，尤其像TMAZ這種范圍很窄且不規則的區域。

圖1 Microcell示意圖Fig. 1 Schematic of the Microcell

電化學工作站的型號為Gamry Ref 600，采用鉑絲作為輔助電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，文中電位若無特指，均相對于SCE。開位電位(OCP)穩定時間為300 s，極化曲線測試范圍-200～+200 mV(相對于OCP)，掃描速率為3 mV/s，電解質溶液是pH為6.8的0.5 mol/L NaCl溶液(未除氧)，試驗溫度為室溫(25±2) ℃。每個待測區域至少重復測試5次，取平均值和標準偏差。

浸泡試驗也在室溫下進行，溶液同電化學測試溶液，浸泡時間為14 d。試驗結束后，將試樣在30%(體積分數，下同)HNO3溶液中浸泡3 min去除腐蝕產物，隨后用流動清水沖洗，再用乙醇清洗并吹干。需要指出：為得到均勻腐蝕深度，浸泡前在接頭各區涂上一點防腐蝕漆，浸泡后在丙酮中超聲清洗去除該漆，通過多次測量未腐蝕區與腐蝕區的高度差來得到均勻腐蝕深度。采用光學輪廓儀(OP，Veeco Contour GT-K型)觀察未腐蝕和腐蝕區域的形貌，并進一步用OP附帶的軟件對腐蝕數據進行分析，獲得腐蝕形貌、深度和密度等參數。圖2為采用OP獲得均勻腐蝕深度的方法。

圖2 均勻腐蝕深度測試方法Fig. 2 Test method for the depth of uniform corrosion

2 結果與討論

2.1 第二相粒子分布

2219-O鋁合金FSW接頭上表面可分為4個區域：BM、HAZ、TMAZ和SAZ(軸肩作用區)，見圖3。由圖3可見，BM因經過退火處理，亞穩相已完全轉變為穩定相(或稱過時效相)，存在大量的、明顯的第二相，經EDS分析，圖中灰色第二相顆粒為θ相，黑色顆粒為Al-Cu-Mn-(Si/Fe)相；HAZ的組織形貌與BM類似；觀察TMAZ的金相組織，可見TMAZ兩側組織差異明顯，軸肩作用范圍內的區域已觀察不到明顯的大尺寸θ相、且晶粒細化，見圖3(c)右側，而不在作用范圍內的區域仍存在明顯的θ相，見圖3(c)左側；SAZ晶粒明顯細化、且未觀察到大尺寸θ相。

(a) 整體

(b) BM (c) TMAZ (d) SAZ圖3 2219-O鋁合金FSW接頭上表面不同區域第二相大小和分布Fig. 3Size and distribution of secondary phase particles in different regions on the top surface of 2219-O FSW joint:(a) overview, (b) BM, (c) TMAZ, (d) SAZ

2.2 極化曲線

圖4(a)為FSW接頭各區域典型的極化曲線。由圖4可見,FSW接頭各區域的零電流電位(Ezc)與點蝕電位(Epit)相同，即表明接頭在0.5 mol/L NaCl溶液中,在無外電流干擾下就會發生點蝕。多次測試得到接頭各區域的Epit平均值并求得標準偏差，結果見圖4(b)，BM的Epit最低，為-649 mV；HAZ的Epit與BM相當、TMAZ的Epit略有提高；SAZ的Epit有較大提高，為-600 mV。

2.3 腐蝕形貌

由圖5可見，接頭各區域均發生了點蝕，不同的是BM和HAZ的點蝕更大更深、TMAZ的次之，SAZ的點蝕體積明顯減小。

2.4 影響腐蝕行為機理

在影響鋁合金腐蝕行為的諸多因素中，析出相是影響2219鋁合金點蝕行為最主要的因素[20-23]，尤其是當2219鋁合金經過退火處理后，合金中存在大量的θ相，因其尺寸大、含量多，并且其自腐蝕電位(Ecorr)比α(Al)基體的高，陰極反應(氧的還原反應)主要發生在θ相，陽極反應發生在周圍的α(Al)基體[15,22]。此外，已有研究表明，Al-Cu二元合金α(Al)基體的Ecorr和Epit隨合金中固溶Cu含量的增加而提高[10,24]。

(a) 極化曲線

(b) Epit平均值及其標準偏差圖4 2219-O鋁合金FSW接頭不同區域在0.5 mol/L NaCl溶液中的電化學性能Fig. 4 Electrochemical characteristics of different regions in the FSW 2219-O Al alloy joint in 0.5 mol/L NaCl: (a) polarization curves, (b) mean and standard deviation of Epit

FSW后，2219-O鋁合金接頭各區因經歷了不同的熱力耦合作用，導致組織發生不同的變化，進而影響其力學性能和耐蝕性。結合圖3和Kang等的工作[13]：HAZ經歷的溫度區間為180～380 ℃，此溫度下,θ相不回溶，因此HAZ的腐蝕行為與BM的相似。通過接頭的硬度分布(如圖7所示)，也可證明HAZ中的θ相未發生回溶，圖7中HAZ的硬度與BM的相當，即HAZ中沒有產生因θ相回溶而帶來的固溶強化作用；TMAZ的溫度區間為380～400 ℃，θ相同樣不會發生回溶，不過由于攪拌頭的帶動作用，TMAZ的晶粒發生變形，因此硬度略有提高，耐蝕性也稍有改善；SAZ同時受到攪拌頭摩擦/攪拌作用和焊接熱循環作用，經歷了劇烈的塑性變形和最高的焊接溫度，晶粒細化、θ相部分回溶，由此帶來的細晶強化和固溶強化作用大幅提高了SAZ的硬度。θ相的大量回溶提高了基體中固溶Cu含量的水平，導致SAZ的Ecorr和Epit均大幅提高，因此均勻腐蝕和點蝕程度均減弱，腐蝕速率降低；此外，θ相的回溶或被打碎致尺寸變小[13,25]，降低了點蝕源的體積，使得點蝕深度、體積和密度均減小。

(a) 宏觀

(b) BM (c) HAZ

(d) TMAZ (e) SAZ圖5 接頭上表面浸泡14 d后的腐蝕形貌Fig. 5 Corrosion morphology of different regions on the top surface of joint after being immersed for 14 d:(a) macrograph, (b) BM, (c) HAZ, (d) TMAZ, (e) SAZ

(a) 最大腐蝕深度 (b) 腐蝕密度 (c) 失重腐蝕速率圖6 接頭各區域在0.5 mol/L NaCl溶液中浸泡14 d后的定量分析Fig. 6 Quantitative analysis of different regions in the joint after 14 d immersion in 0.5 mol/L NaCl solution:(a) deepest pits, (b) corrosion density, (c) weight-loss corrosion rate

圖7 2219-O鋁合金FSW接頭上表面硬度分布Fig. 7 Microhardness distributions on the top surface of a 2219-O FSW joint

3 結論

(1) 2219-O鋁合金FSW接頭在0.5 mol/L NaCl溶液中在無外電流干擾下就會發生點蝕；浸泡14 d后，接頭上各區域除均勻腐蝕外，只發生點蝕。

(2) 2219-O鋁合金HAZ的耐蝕性能與BM相當；TMAZ的耐蝕性略有提高；SAZ因θ相回溶或被打碎，提高了基體中固溶的Cu含量，SAZ的腐蝕速率以及點蝕深度、體積和密度最小。

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Corrosion Behavior of Friction Stir Welded Joints of 2219 Al Alloy in Neutral Chloride Solution

LIANG Su-ying

(Shougang Institute of Technology, Beijing 100144, China)

The micro-electrochemical characteristics and corrosion behavior of a friction stir welded AA2219-O joint in 0.5 mol/L NaCl neutral solution were characterized using a microcell method and immersion test, respectively. An optical profilometer was employed to analyze the uniform corrosion depth as well as the pitting corrosion morphology, depth and density of the joint after being immersed for 14 days. The mechanism which affected the corrosion behavior was discussed. The results showed that pitting corrosion occurred without applied potential. Compared to the base metal, the corrosion resistance was similar in the heat affected zone, slightly improved in the thermomechanically affected zone. In the shoulder affected zone (SAZ), the θ phase particles were partly dissolved and broken, which led to an increase in the content of dissolved Cu in the matrix, and decreased the weight-loss corrosion rate as well as the pitting depth, volume and density. As a result, the corrosion resistance significantly increased in the SAZ.

2219 Al alloy; friction stir welding; neutral chloride solution; corrosion behavior; micro-electrochemical characteristic

10.11973/fsyfh-201703011

2016-10-23

梁蘇瑩(1984-),講師,碩士,從事鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕機制與防護研究,010-59805973,liangsy2016@hotmail.com

TG172

A

1005-748X(2017)03-0208-06