張 普，袁鴿成，秦典成，袁 潛，駱志捷

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006

由于6005A鋁合金擠壓型材板具有密度小、比強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在軌道交通中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，但由于其尺寸受擠壓機(jī)噸位的限制，不能直接擠壓出適用于鋁合金車體的寬板，因此，需要一種可靠的焊接技術(shù)將鋁合金擠壓型材板進(jìn)行拼接.

采用固相焊接的攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)可避免熔化焊的缺陷，其焊縫性能優(yōu)于熔化焊.目前，對(duì)6005A鋁合金攪拌摩擦焊的研究主要涉及焊接工藝及焊縫力學(xué)性能方面，對(duì)其剝落腐蝕行為的研究則鮮有報(bào)道[3-5]，而剝落腐蝕是鋁合金擠壓型材常見(jiàn)的腐蝕形式，這種腐蝕若在鋁合金車體上發(fā)生將引發(fā)嚴(yán)重的安全事故[6].本文對(duì)6005A鋁合金攪拌摩擦焊縫的剝蝕行為進(jìn)行了研究，為如何提高6005A鋁合金車體的耐剝蝕性能提供科學(xué)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)6005A-T6鋁合金型材沿?cái)D壓方向進(jìn)行攪拌摩擦焊接，型材板厚為5 mm.焊接所用攪拌頭軸肩直徑為18 mm，攪拌針直徑為7 mm，針長(zhǎng)為4.8 mm.焊接速度為118 mm/min，攪拌針轉(zhuǎn)速為1180 r/min，傾角為3°，下壓量為0.1 mm.焊接完成后用線切割機(jī)沿垂直于焊縫方向截取四個(gè)長(zhǎng)10 mm，寬30 mm，帶部分母材的焊縫樣品，從母材上也截取四個(gè)長(zhǎng)10mm，寬20mm的樣品，用以制備金相試樣及剝落腐蝕試樣.將樣品表面逐級(jí)采用由粗至細(xì)的砂紙打磨至無(wú)明顯劃痕，然后進(jìn)行電解拋光至樣品表面無(wú)劃痕后進(jìn)行陽(yáng)極復(fù)膜，制得金相試樣.采用MJ42倒置式金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行偏光觀察并拍攝金相照片.將金相試樣按照上述制樣方法重新打磨后，用混合酸溶液腐蝕一定時(shí)間，清洗干燥后置于Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察第二相的分布.剝落腐蝕試樣的制備方法是先用砂紙打磨至無(wú)明顯劃痕后，再用酒精清洗實(shí)驗(yàn)面，然后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22639-2008的方法對(duì)試樣進(jìn)行剝落腐蝕試驗(yàn)[7]，實(shí)驗(yàn)完成后取出樣品進(jìn)行清洗，在SEM下觀察腐蝕形貌.在德國(guó)Im6電化學(xué)工作站上采用三電極系統(tǒng)測(cè)量腐蝕后樣品的電化學(xué)阻抗譜(EIS)，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極，試樣為工作電極.試樣的有效暴露面積為1 cm2，其它部分用樹脂封裝，掃描的頻率范圍為10 kHz～10 mHz，正弦波激勵(lì)信號(hào)幅值為±10 mV，掃描步長(zhǎng)為8.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 腐蝕形貌

在腐蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察到母材與腐蝕液產(chǎn)生的氣泡比焊縫的多，說(shuō)明腐蝕液對(duì)母材的腐蝕要比焊縫劇烈.圖1為腐蝕試驗(yàn)前后樣品的宏觀形貌.圖1(a)為未腐蝕的樣品，圖1(b)為腐蝕48 h后，焊縫與母材的宏觀形貌，從圖1(b)可見(jiàn)，腐蝕后焊縫與焊縫母材區(qū)出現(xiàn)了明顯的分界線，焊縫表面的腐蝕程度低于母材，宏觀表現(xiàn)為焊縫更為光亮和平整，而母材表面則有較多肉眼可見(jiàn)的點(diǎn)蝕孔.圖1(b)中箭頭所指處為發(fā)生剝落及起層的區(qū)域，按照GB/T22639-2008的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，焊縫的腐蝕等級(jí)評(píng)定為PB，母材的腐蝕等級(jí)評(píng)定為EA[7].

圖1 焊縫與母材宏觀腐蝕形貌

在完成剝落腐蝕評(píng)級(jí)后，對(duì)樣品進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看到，在焊縫發(fā)生的是全面的點(diǎn)蝕，而母材發(fā)生的是典型的晶間腐蝕.焊縫表面腐蝕均勻，腐蝕坑較淺，而母材發(fā)生的晶間腐蝕坑較深穿入了金屬內(nèi)部，并且晶內(nèi)也有點(diǎn)蝕的跡象，但程度明顯弱于焊縫.

圖2 剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)后焊縫與母材表面的SEM形貌，500×

2.2 阻抗譜分析

圖3為腐蝕實(shí)驗(yàn)后焊縫與母材的電化學(xué)阻抗譜的Nyquist圖，由圖3可見(jiàn)，母材與焊縫的阻抗譜圖都由一個(gè)高頻容抗弧和中-低頻感抗弧組成.容抗弧表明該電極過(guò)程為電化學(xué)步驟控制，高頻容抗弧的直徑反映了電荷的傳遞電阻(Rt)，直徑越大，電荷轉(zhuǎn)移的阻力越大，即腐蝕過(guò)程受到抑制的程度越大.圖3中焊縫的容抗弧的直徑大于母材的，說(shuō)明焊縫的耐腐蝕性強(qiáng)于母材. Keddam等人[8]認(rèn)為，中-低頻感抗弧是由于氧化膜的溶解對(duì)材料的保護(hù)性減弱而產(chǎn)生的，與Cl-的吸附相關(guān)，感抗弧半徑的大小反映了表面發(fā)生破壞的傾向性，半徑越大，表明被破壞的傾向性越大，從圖3可見(jiàn)，母材的感抗弧半徑大于焊縫的，說(shuō)明母材表面被腐蝕破壞的傾向性大于焊縫的.當(dāng)被腐蝕破壞的面積與原始表面積達(dá)到一定的比值時(shí)，感抗弧消失，最終出現(xiàn)兩個(gè)容抗弧.由兩個(gè)容抗弧出現(xiàn)的先后可以判定材料的腐蝕敏感性，并且兩個(gè)容抗弧區(qū)分得越明顯說(shuō)明腐蝕的程度越嚴(yán)重[9].

圖3 焊縫與母材剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)后電化學(xué)阻抗譜圖

Fig.3The Electrochemical impedance spectroscopy diagram of joint and base material after the exfoliation corrosion experiment

2.3 腐蝕機(jī)理

剝落腐蝕是一種危害性很大的局部腐蝕形式，一旦發(fā)生會(huì)引起材料的強(qiáng)度和塑性的大幅度下降.剝落腐蝕一般是按點(diǎn)蝕、晶間腐蝕及剝蝕的過(guò)程進(jìn)行的.眾多學(xué)者認(rèn)為，高度定向的組織是鋁合金發(fā)生剝蝕的必要條件之一，而由晶界電偶腐蝕形成的腐蝕通道是另一重要條件[10].當(dāng)材料被擠壓或軋制后，始態(tài)晶粒嚴(yán)重變形，形成了平行于材料表面的細(xì)長(zhǎng)晶粒.6005A鋁合金的主要合金元素為Mg和Si，在擠壓過(guò)程中容易在晶界處產(chǎn)生析出相(主要是Mg2Si相)，析出相在擠壓過(guò)程中形成了平行于表面的晶粒層狀分布；由于Mg2Si的電位低于Al基體從而形成電偶腐蝕效應(yīng)，析出相作為陽(yáng)極被腐蝕溶解[11],當(dāng)析出相在晶界呈連續(xù)狀分布時(shí)，腐蝕溶解會(huì)一直沿著晶界進(jìn)行，當(dāng)生成的腐蝕產(chǎn)物的體積大于腐蝕所消耗的金屬的體積時(shí)，會(huì)對(duì)晶粒產(chǎn)生外推力即“楔入效應(yīng)”，最終使晶粒從材料表面脫落.晶粒被拉得越長(zhǎng)，產(chǎn)生的外推力就越大，發(fā)生剝落腐蝕的傾向也就越大[12].

圖4 焊縫與母材的金相組織

圖4為焊縫與母材區(qū)的金相組織.由圖4可見(jiàn)，母材區(qū)的晶粒為帶狀，焊縫區(qū)的晶粒細(xì)小且呈現(xiàn)等軸狀.鋁合金型材經(jīng)攪拌摩擦焊后焊縫處的材料經(jīng)歷了劇塑性變形，材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后由長(zhǎng)條形晶粒轉(zhuǎn)變成了等軸狀的細(xì)小晶粒，使晶粒的長(zhǎng)寬比從10左右趨于等軸.晶粒細(xì)化后材料的表面變得致密，從而提高了材料的耐剝落腐蝕性能.

圖5為母材與焊縫的第二相對(duì)比圖，圖5(a)中箭頭所指的白色顆粒為母材的第二相組織，主要是Mg2Si.由于第二相與基體間存在電位差從而構(gòu)成了微電偶腐蝕效應(yīng)，第二相作為原電池的陽(yáng)極被溶解.母材中第二相沿晶界呈連續(xù)分布，使得晶界成為活性的陽(yáng)極腐蝕通道[13]，在“楔入效應(yīng)”的作用下，晶間腐蝕傾向于沿平行于材料表面的晶界發(fā)展，并最終發(fā)生剝落腐蝕.在這一過(guò)程中，晶內(nèi)基體作為陰極在一定程度上得到了保護(hù)，這與前面所觀察到的母材的剝落腐蝕是沿晶界進(jìn)行的晶間腐蝕完全吻合.當(dāng)鋁合金型材經(jīng)攪拌摩擦焊后，經(jīng)歷了高溫下的劇塑性變形，使母材中的第二相粒子發(fā)生固溶，最終以過(guò)飽和固溶體的形式均勻地分布在晶界與晶內(nèi)，這使得合金的耐腐蝕性能得到了提高，因此，焊縫只發(fā)生了均勻的點(diǎn)蝕.

圖5 焊縫與母材的第二相分布圖

3 結(jié) 論

(1)剝落腐蝕過(guò)程中母材發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕，母材表面的局部出現(xiàn)了剝落，而焊縫的腐蝕為均勻的點(diǎn)蝕.電化學(xué)阻抗譜圖說(shuō)明焊縫區(qū)在腐蝕過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移的阻力大且被腐蝕破壞的傾向性小，表明焊縫的耐剝蝕性比母材強(qiáng).

(2)在焊縫區(qū)發(fā)生的第二相固溶使其均勻分布，減弱了微電偶腐蝕效應(yīng)，并且在焊縫區(qū)發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使帶狀晶粒轉(zhuǎn)變成細(xì)小的等軸晶粒，令腐蝕產(chǎn)物的外推力減弱.這是焊縫的耐剝蝕性能比母材高的主要原因.

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