5083鋁合金攪拌摩擦焊縫的剝落腐蝕性能*

駱志捷，袁鴿成，黃澤濤，何理謙，林典海

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

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5083鋁合金攪拌摩擦焊縫的剝落腐蝕性能*

駱志捷，袁鴿成，黃澤濤，何理謙，林典海

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

采用溶液浸泡法研究了5083鋁合金及其攪拌摩擦焊焊縫的剝落腐蝕性能.借助光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡及電化學(xué)工作站分析了焊縫和母材的微觀組織、剝落腐蝕形貌、極化曲線及電化學(xué)阻抗譜.結(jié)果表明，浸泡腐蝕后焊縫出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，而母材點(diǎn)蝕嚴(yán)重并顯現(xiàn)局部起皮剝落，腐蝕裂紋沿晶開裂；腐蝕評級和電化學(xué)阻抗譜均可說明焊縫的耐剝落腐蝕性能好于母材，同時極化曲線也說明焊縫的腐蝕敏感性低于母材.帶狀晶粒等軸化，棒狀的第二相細(xì)化及分布均勻化，位錯密度的減小是焊縫耐剝落腐蝕性能強(qiáng)于母材的主要原因.

5083鋁合金；攪拌摩擦焊；剝落腐蝕；電化學(xué)腐蝕

5083鋁合金作為一種不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有高的比強(qiáng)度、良好的焊接性能、抗蝕性能及加工性能，廣泛應(yīng)用于船舶制造及海洋運(yùn)輸業(yè)[1].在這些領(lǐng)域中，焊接是一種必不可少的加工方式.攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)作為一種新型的焊接方法，在鋁合金焊接中已得到廣泛應(yīng)用[2-4].國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金攪拌摩擦焊接機(jī)理[5-6]、焊接工藝[7-8]、焊縫組織與性能[9-11]等做了大量的研究.其中，關(guān)于5083鋁合金攪拌摩擦焊接的研究[12-14]也有不少，但對其攪拌摩擦焊縫剝落腐蝕研究的報(bào)道還不多.對服役于海洋環(huán)境的鋁合金材料來說，剝落腐蝕是典型的腐蝕形式之一，這種腐蝕會給船舶帶來嚴(yán)重的安全隱患.研究5083鋁合金攪拌摩擦焊縫的剝落腐蝕行為及其機(jī)理具有一定的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為5083-H321鋁合金板材，尺寸50 mm×20 mm×4 mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Mg 4.7，Mn 0.63，Cr 0.12，F(xiàn)e 0.12，Si 0.1，Zn 0.005，Ti 0.006，Al為余量.攪拌摩擦焊機(jī)的攪拌頭帶有螺紋，其中軸肩22 mm，攪拌針長度3.4 mm，攪拌針形狀為上寬下窄圓臺形狀，上部直徑7 mm，下部直徑6 mm.焊接工藝參數(shù)為：焊接速率80 mm/min，轉(zhuǎn)速700 r/m，攪拌頭傾角3°，壓下量0.5 mm.用對接的連接方式沿垂直于板材的軋制方向焊接，并沿軋制方向截取剝落腐蝕試樣.為了研究焊縫組織對腐蝕性能影響，把焊縫表面的疊紋磨去并拋光.

按照GB/T 22639-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剝落腐蝕試驗(yàn)，腐蝕溶液為NH4Cl，NH4NO3，(NH4)2C4H4O6及H2O2的水溶液，其成分的摩爾濃度比為100∶25∶1∶9.剝落腐蝕(EXCO)溶液與試樣的面容比為10 mL/cm2，溶液pH值為5.2～5.4，在恒溫水浴槽中進(jìn)行試驗(yàn)，溫度為(65±1)℃，腐蝕時間為24 h.

采用德國ZAHNER公司Im6電化學(xué)工作站，以Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極的三電極體系，測量5083-H321鋁合金及其攪拌摩擦焊縫在剝落腐蝕溶液體系下的極化曲線及電化學(xué)阻抗譜.測試動電位掃描極化曲線時，極化掃描速率為2 mV/s，掃描范圍為-1.8～1.2 V.在開路電位穩(wěn)定時測試電化學(xué)阻抗，測試面積為1 cm2，頻率范圍為20000～0.1 Hz，正弦波激勵信號幅值為±10 mV.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 剝落腐蝕形貌

母材和FSW焊縫剝落腐蝕試樣的宏觀形貌如圖1所示.把攪拌摩擦焊試樣分為3個區(qū)域：端部母材區(qū)(BM)、中間焊核區(qū)(NZ)和熱影響區(qū)(HAZ).圖1(a)顯示，剝蝕母材試樣(BM)出現(xiàn)大量均勻分布的腐蝕坑，局部有起皮現(xiàn)象.圖1(b)顯示，攪拌摩擦焊縫的NZ區(qū)腐蝕程度輕微，肉眼沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕點(diǎn).兩端母材區(qū)域腐蝕程度與原始母材試樣類似，而焊縫的HAZ區(qū)腐蝕程度較母材輕，只出現(xiàn)個別的腐蝕點(diǎn).

圖1 剝落腐蝕母材(a)及FSW焊縫(b)的宏觀形貌Fig.1 Exfoliation corrosion macromorphology of BM(a) and the joint (b)

圖2為母材和FSW焊縫在剝落腐蝕溶液中浸泡24 h后的表面形貌SEM圖.圖2(a)顯示，剝落腐蝕的母材沿晶開裂，偏白色的部分為殘余的腐蝕產(chǎn)物，它覆蓋晶粒并沿晶界分布.圖2(b)顯示，剝落腐蝕焊縫的微觀形貌較平整，僅出現(xiàn)個別的腐蝕點(diǎn)，腐蝕產(chǎn)物極少.剝落腐蝕形貌表明，焊縫的抗剝落腐蝕能力強(qiáng)于母材.

圖2 剝落腐蝕的母材(a)及FSW焊縫(b)的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of the exfoliation corrosion of BM(a) and the joint (b)

2.2 剝落腐蝕性能

按照GB/T 22639-2008評級標(biāo)準(zhǔn)對兩試樣表面進(jìn)行評級，母材明顯發(fā)生剝落腐蝕，腐蝕等級評定為PC級，而焊縫表面的腐蝕程度低于母材，腐蝕等級為N級.其中PC級別表示表面呈嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，出現(xiàn)爆皮，并輕微地深入試樣表面，N級別表示腐蝕不嚴(yán)重，表面有微蝕或脫色現(xiàn)象.

圖3為母材和焊縫在剝落腐蝕溶液浸泡后的奈奎斯特(Nyquist)圖.由圖3可看出，母材的阻抗譜由高頻容抗弧和中低頻容抗弧組成，不存在感抗成分.曹楚南等[15]認(rèn)為有鈍化膜覆蓋的金屬表面可能在鈍化膜孔蝕誘導(dǎo)期產(chǎn)生感抗，一旦鈍化膜穿孔，點(diǎn)蝕進(jìn)入發(fā)展期，感抗成分即消失.隨著點(diǎn)蝕的不斷發(fā)展，材料最終會發(fā)生剝落腐蝕.材料發(fā)生剝蝕后，電化學(xué)阻抗譜由兩個容抗弧組成，高頻的容抗弧是合金原表面的充放電過程，而中低頻的容抗弧則來源于合金原表面剝落后與腐蝕介質(zhì)接觸的新界面[16-17].因此，可以判斷母材發(fā)生剝落腐蝕，而焊縫的阻抗譜由高頻的容抗弧和低頻的感抗弧組成，并未發(fā)生明顯的剝蝕.從圖3可以看出，焊縫的阻抗弧半徑大于母材的阻抗弧半徑.阻抗弧半徑跟極化電阻的大小成正比，極化電阻越大，材料的抗腐蝕性能越好.這也說明焊縫的抗剝落腐蝕能力強(qiáng)于母材的抗剝落腐蝕能力.

圖3 母材與FSW焊縫的Nyquist圖譜 Fig.3 The nyquist curves of BM and the joint

母材和攪拌摩擦焊縫試樣在剝落腐蝕溶液中的極化曲線如圖4所示，通過Corrview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)列于表1.從表1可看出，焊縫材料自腐蝕電位有輕微的正向偏移，從熱力學(xué)角度上看，焊縫發(fā)生腐蝕的傾向比母材小.焊縫的腐蝕電流密度Ijoint小于母材的腐蝕電流密度IBM，從動力學(xué)角度上看，母材的腐蝕速度快，腐蝕程度更嚴(yán)重.從極化曲線可以得出，母材的腐蝕敏感性高于焊縫腐蝕敏感性，這與焊縫的抗剝落腐蝕性能優(yōu)于母材的落腐蝕性能相一致.

表1 母材與FSW焊縫的電化學(xué)腐蝕參數(shù)

Table 1 The electrochemical etching parameters of BM and the joint

樣品腐蝕電位/V腐蝕電流密度/(mA·cm-2)腐蝕速率/(mm·a-1)母材-0.575511.242413.5869焊縫-0.569880.70157.67162

圖4 母材與FSW焊縫的極化曲線Fig.4 The polarization curves of BM and the joint

3 分析討論

剝落腐蝕是電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕共同作用的結(jié)果.發(fā)生剝蝕的兩個主要因素為：

(1)晶粒形狀.帶狀的晶粒是產(chǎn)生剝落腐蝕的重要先決條件[18].國內(nèi)外眾多學(xué)者研究表明，在腐蝕產(chǎn)物的楔形力作用下，帶狀晶粒的材料較等軸晶的材料更容易達(dá)到撕裂條件，導(dǎo)致材料剝落，加劇腐蝕程度.材料剝落腐蝕的敏感性取決于晶粒的長寬比，晶粒的長寬比越大，材料的剝落腐蝕敏感性越強(qiáng).

圖5(a)為母材的金相組織.母材是經(jīng)冷變形的5083鋁合金，晶粒沿軋制方向不同程度地被拉長，使晶粒呈帶狀，長寬比大.焊縫特別是其焊核區(qū)(NZ)因受到強(qiáng)烈的剪切作用，而發(fā)生劇烈的塑形變形且溫度急劇地上升，以至于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，把帶狀晶粒細(xì)化成尺寸為20 μm左右的等軸晶粒，如圖5(b)所示.此時晶粒的長寬比顯著減小，剝落腐蝕敏感性降低.

圖5 母材(a)及焊縫(b)金相組織 Fig.5 The metallographic structure of BM(a) and the joint(b)

(2)晶界電偶腐蝕(沉淀相/溶質(zhì)貧化區(qū))造成的腐蝕通道.5083鋁合金的主要合金化元素是Mg，一部分Mg與Al形成與基體共格的α固溶體，一部分Mg形成第二相β(Mg5Al8，Mg2Al3)相[19]，兩者存在電位差.因此，在形成原電池的腐蝕過程中，β相作為陽極先腐蝕.β相的分布位置、形狀大小對材料的抗腐蝕性能有重要影響.當(dāng)β相以細(xì)小粒子均勻彌散分布在晶內(nèi)及晶界時，并不會顯著降低材料的抗腐蝕性能.但當(dāng)β相在晶界連續(xù)分布時，就會形成易腐蝕的陽極通道，導(dǎo)致材料的抗腐蝕性能下降.

圖6是母材以及攪拌摩擦焊縫的TEM形貌圖.圖6(a)顯示，母材的β相呈棒狀，沿軋制方向密集分布.圖6(b)顯示，在焊縫區(qū)域β相分布稀疏，多呈圓點(diǎn)狀和短棒狀，主要在晶內(nèi)分布.在攪拌摩擦作用下，部分β相細(xì)化并均勻地溶入基體中，致使β相析出數(shù)量減少，減弱了電偶腐蝕效應(yīng).因此，材料的耐剝落腐蝕性能得到提高.

圖6 母材(a)及焊縫(b)的TEM形貌Fig.6 The TEM morphology of BM(a) and the joint(b)

冷軋母材因受冷變形，位錯密度較高.攪拌摩擦焊接是一個熱變形過程，一方面焊縫表面在攪拌摩擦作用下，發(fā)生劇烈的塑性變形而且溫度急劇上升，使部分區(qū)域發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，位錯密度降低；另一方面熱影響區(qū)相當(dāng)于經(jīng)歷了一個短暫的退火過程，位錯發(fā)生交滑移、攀移以及脫釘行為，致使位錯密度下降.最終減少了焊縫中會導(dǎo)致其發(fā)生腐蝕的微觀缺陷數(shù)量，從而降低了材料的腐蝕敏感性.

4 結(jié) 論

(1)剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)中攪拌摩擦焊縫只出現(xiàn)少量腐蝕點(diǎn)，腐蝕評級為N級；電化學(xué)阻抗譜測試表明焊縫在腐蝕過程中的阻力較大，腐蝕傾向較小，其耐剝落腐蝕性能優(yōu)于母材.

(2)攪拌摩擦焊縫表面晶粒的等軸化，第二相細(xì)化及分布均勻化，動態(tài)再結(jié)晶及高溫作用引起的位錯密度下降，是攪拌摩擦焊縫抗剝落腐蝕性能優(yōu)于母材的本質(zhì)原因.

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Exfoliation corrosion resistance of 5083 aluminum alloy welds processed by friction stir welding

LUO Zhijie，YUAN Gecheng，HUANG Zetao，HE Liqian，LIN Dianhai

FacultyofMaterialsandEnergy,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China

The exfoliation corrosion resistance of the 5083 aluminum alloy and its FSW joints were studied in this paper. The corrosion morphology，microstructure，electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and polarization potential of the samples were analyzed by using optical microscope (OM)，scanning electron microscope (SEM)，transmission electron microscopy(TEM) and electrochemical workstation.The results showed that only slight pitting occurred in the joint.However，the base metal suffered from serious pitting and even peeling.It developed intergranular cracking showed in SEM morphology.The EIS results indicated that the reaction resistance of the joint is larger than that of base metal.The equiaxed microstructure，fine and homogeneous precipitate and low dislocation density resulted in better properties of joints in exfoliation corrosion resistance than that of the base metal.

5083 aluminum alloy；friction stir welding；exfoliation corrosion；electrochemical corrosion

2015-03-18

廣東省重大科技專項(xiàng)(2008A090300004)

駱志捷(1989-)，男，廣東河源人，碩士研究生.

1673-9981(2015)02-0107-05

TG178

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