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超声冲击对2A12铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的影响

张体明, 邓云发, 陈玉华, 方瑜, 胡学兵

张体明, 邓云发, 陈玉华, 方瑜, 胡学兵. 超声冲击对2A12铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(10): 38-41, 78. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200403005
引用本文: 张体明, 邓云发, 陈玉华, 方瑜, 胡学兵. 超声冲击对2A12铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(10): 38-41, 78. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200403005
ZHANG Timing, DENG Yunfa, CHEN Yuhua, FANG Yu, HU Xuebing. Effect of ultrasonic impact treatment on corrosion behavior of FSW joints of 2A12 aluminum alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(10): 38-41, 78. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200403005
Citation: ZHANG Timing, DENG Yunfa, CHEN Yuhua, FANG Yu, HU Xuebing. Effect of ultrasonic impact treatment on corrosion behavior of FSW joints of 2A12 aluminum alloy[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(10): 38-41, 78. DOI: 10.12073/j.hjxb.20200403005

超声冲击对2A12铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的影响

基金项目: 江西省教育厅科技项目(GJJ180507);上海航天基金项目(SAST2019-062);国防基础科研计划项目(JCKY2018401C003).
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    作者简介:

    张体明,1987出生,博士,副教授;主要研究方向为材料连接及腐蚀防护;Email:zhangtm@nchu.edu.cn.

  • 中图分类号: TG 178

Effect of ultrasonic impact treatment on corrosion behavior of FSW joints of 2A12 aluminum alloy

  • 摘要: 采用腐蚀挂片和动电位极化曲线测试对比研究了超声冲击前后2A12铝合金搅拌摩擦焊接头在3.5% NaCl水溶液中的腐蚀行为. 试验结果表明,超声冲击后接头的平均腐蚀速率是冲击前的1/2,未冲击试样热影响区的自腐蚀电位为−0.629 V(Ag/AgCl),腐蚀倾向最高,由点蚀和晶间腐蚀引起的腐蚀坑平均深度达到125 μm;经过超声冲击处理后,接头各区的自腐蚀电位升高,腐蚀电流密度降低,表面基本呈现均匀腐蚀的形态,最大腐蚀深度不超过40 μm. 超声冲击使材料表层晶粒发生细化和致密化,是材料耐蚀性能提高的主要原因.
    Abstract: In this work, the corrosion behavior of friction stir welding (FSW) joints of 2A12 aluminum alloy with and without ultrasonic impact treatment (UIT) was investigated by immersion corrosion test and polarization curve test in 3.5% NaCl aqueous solution. The results showed that the average corrosion rate of the joints with UIT was about half of that without UIT. The corrosion potential of the heat affected zone (HAZ) without UIT was −0.629 V (Ag/AgCl), indicating the worst corrosion resistance. And the average corrosion depth of HAZ induced by pitting corrosion and intergranular corrosion was about 125 μm. After UIT, the corrosion potentials of each sub-area of the FSW joints increased, and the corresponding corrosion current density decreased. The maximum depth of corrosion pit did not exceed 40 μm. The whole surface of the joint exhibited a form of uniform corrosion. Ultrasonic impact makes the surface grains of the material finer and denser, and the bond between the strengthening phase and the base metal is tighter, which is the main reason for the improvement of the corrosion resistance of the material. The main reason for the improvement of the corrosion resistance of the joints was that the grains of the material were refined and densified after UIT.
  • 2A12铝合金属于高强铝合金,具有比强度高、疲劳性能好等综合的优异性能[1-3]. 采用2A12铝合金制造的结构可以有效的降低载荷,提高飞行效率,被广泛应用于航空航天领域[4-6]. 搅拌摩擦焊(FSW)技术作为一种新型连接方法,可以避免熔化焊导致的气孔和夹渣等缺陷,在航空航天装备的制造领域具有重要的应用[7-10]. 然而,这些装备在制造或服役过程中极有可能面临复杂苛刻的腐蚀环境,如雨水、近海场发射场地盐雾,以及长期存储的沿海大气环境等,存在发生腐蚀的风险[11-12]. 此外,焊接所导致的接头组织不均匀使得接头的腐蚀风险大大增加. 在实际工业应用中必须对接头进行防腐处理以提高其服役寿命. 诸多研究表明,降低焊接热输入、微弧氧化、表面制备防护涂层等方法可以提高接头的抗腐蚀性能,但在实际应用过程中仍然面临一些问题与挑战.

    超声冲击技术广泛应用于焊接结构的疲劳延寿领域,但其对接头抗腐蚀性能的影响还有待深入挖掘. 文中对2A12铝合金FSW接头进行全覆盖超声冲击处理,利用表面自改性的方法,使材料表面产生压缩塑性变形和晶粒细化,进而提高材料整体的致密性. 通过微观组织形貌观察、腐蚀挂片试验、动电位极化曲线等手段研究超声冲击对铝合金FSW接头腐蚀行为的影响,有望为铝合金焊接结构的腐蚀防护提供理论依据,扩展超声冲击的应用领域.

    试验所用材料为2A12铝合金,状态为T4态,其规格为200 mm × 100 mm × 10 mm,化学成分为(质量分数,%):Cu4.29,Mg1.48,Si0.11,Fe0.29,Mn0.61,Zn0.02,余量为Al. 采用由X35K立式铣床改装而成的搅拌摩擦焊机进行焊接. 搅拌针为左螺纹,锥度20 °,轴肩直径30 mm,搅拌针长9.6 mm,直径10 mm,锥度20°. 焊接工艺参数为:转速600 r/min,焊接速度47.5 mm/min,下压量为0.3 mm,倾斜角度为2°.

    采用功率为2 kW,频率为20 kHz的HK-30S型超声冲击装置对打磨好的接头表面反复冲击3遍. 冲击头为直径6 mm的圆柱,移动速度为500 mm/min. 垂直于焊缝长度方向截取90 mm × 10 mm × 3 mm的试样,非冲击区域采用环氧树脂镶嵌,以同尺寸的非冲击试样为对比. 将超声冲击试样和对比试样浸于质量分数为3.5%的NaCl水溶液中,温度为30 ℃ ± 0.5 ℃,浸泡时间为分别为120,240,360,480 h,平行试样数量为4个. 至规定时间后,取出试样,并去除腐蚀产物,采用失重法计算接头试样整体的平均腐蚀速率,并采用Leica DM2500M显微镜对试样微观形貌进行观察.

    极化曲线测试采用CHI 600E型电化学工作站,介质为3.5% NaCl溶液,以超声冲击前后接头各区,即焊核区、热力影响区、热影响区、母材区分别作为研究对象(工作电极),参比电极为Ag/AgCl电极,辅助电极为铂电极,扫描电位范围为−0.3 ~ 0.8 V(vs. OCP),扫描速率为0.5 mV/s,测试获得相应的极化曲线,并结合腐蚀挂片试验结果解析超声冲击对FSW接头腐蚀行为的影响规律.

    图1为2A12铝合金FSW接头在3.5% NaCl溶液中腐蚀速率随时间的变化关系曲线,可以看出,超声冲击前、后接头初期的腐蚀速率较快,经过一段时间后,腐蚀速率开始降低. 未冲击试样在360 h时腐蚀速率迅速下降,然后又上升. 这可能与铝合金发生剥蚀有关,在腐蚀的初期,2A12铝合金中的强化相S相(CuMgAl2)的电化学活性与基体金属存在差异,作为局部阳极优先发生点蚀[13]. 此外,晶界局部电化学活性的差别可能会导致晶间腐蚀的发生. 随着时间的推移,由点蚀和晶间腐蚀导致的试样质量损失较少,从而使腐蚀速率下降. 随着点蚀和晶间腐蚀导致的腐蚀缺陷不断增大,一旦产生缺陷之间的串联,会导致剥蚀现象的发生,因而出现了腐蚀速率加快的现象. 对比发现,焊接接头表面经过超声冲击后,平均腐蚀速率由0.27 g/(m2·h)下降至0.14 g/(m2·h),降低约1/2(腐蚀时间为480 h). 图2所示为2A12铝合金经超声冲击后的截面形貌,可以看出,经超声冲击处理后,表层晶粒发生了显著地塑性变形,在冲击能量的作用下,表层金属更加地致密化,这些特征变化均有利于材料耐蚀性能的提高.

    图  1  超声冲击前后2A12铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀速率
    Figure  1.  Corrosion rate of FSW welded 2A12 aluminum alloy with and without ultrasonic impact treatment (UIT)
    图  2  超声冲击后2A12铝合金的截面形貌
    Figure  2.  Section morphology of 2A12 aluminum alloy after UIT

    由于失重法表示的是接头试样浸泡腐蚀后的平均腐蚀速率,关于超声冲击对接头腐蚀行为的影响,需进一步从腐蚀形貌进行分析. 浸泡腐蚀480 h后的试样表面形貌,如图3所示. 可以看出,未经超声冲击处理的接头试样表面有明显的腐蚀坑(图3a),主要分布于热影响区(HAZ),其次是焊核区(SZ),其它区域表现出均匀腐蚀的形态. 相比而言,经超声冲击处理后,接头的腐蚀程度明显减轻,无明显的腐蚀坑产生,表现出了均匀腐蚀的形态,如图3b所示.

    图  3  超声冲击前、后浸泡试样表面形貌
    Figure  3.  Surface morphology of the specimens with and without UIT. (a) without UIT; (b) with UIT

    由于热影响区的腐蚀程度更为严重,制备了该区超声冲击前、后的截面试样,通过腐蚀坑的深度对局部腐蚀速率进行测算,典型形貌如图4所示. 可以看出,未经超声冲击处理的试样表面腐蚀坑较大,最大直径可达500 μm,腐蚀坑的平均深度约为125 μm,在腐蚀坑的下方,发现晶间腐蚀的痕迹,如图4a箭头指向位置所示.

    图  4  超声冲击前、后热影响区腐蚀形貌
    Figure  4.  Corrosion morphology of HAZ with and without UIT. (a) without UIT; (b) with UIT

    综合考虑腐蚀速率变化和腐蚀形貌特征可以推断,浸泡初期的腐蚀速率较大,然后腐蚀速率逐渐减慢,随着点蚀和缝隙腐蚀程度的不断加深,腐蚀缺陷串联后造成局部剥蚀,腐蚀速率又开始增加. 经超声冲击处理后,材料的局部腐蚀倾向大大降低,如图4b所示,热影响区最大点蚀坑深度不超过40 μm,没有晶间腐蚀现象发生. 由此可以证实超声冲击处理可显著降低2A12铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀速率,腐蚀形式由局部腐蚀向均匀腐蚀发生转变.

    图5为超声冲击前、后2A12铝合金搅拌摩擦焊接头在3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线. 可以看出,超声冲击前、后接头表面各区均呈现为阳极溶解的形式,之后随着极化电位的升高,没有钝化现象发生. 表1为相应的电化学参数,未冲击接头试样热影响区的自腐蚀电位最低,为−0.629 V(Ag/AgCl),具有最高的腐蚀倾向,腐蚀电流密度为7.59 mA/cm2,即腐蚀速率较接头其它区域更高,这与腐蚀浸泡试验的测试结果相对应. 经超声冲击处理后,接头各区的自腐蚀电位均呈现出不同程度的增加,其中,热影响区的自腐蚀电位提高到−0.602 V(Ag/AgCl),腐蚀电流密度降低至6.23 mA/cm2,说明材料的腐蚀倾向和腐蚀速率降低,进一步证明超声冲击可以提高2A12铝合金搅拌摩擦焊接头各区的耐腐蚀性能.

    图  5  接头各区在3.5% NaCl溶液中的极化曲线
    Figure  5.  Polarization curves of different areas of welded joint in 3.5% NaCl solution
    表  1  2A12铝合金搅拌摩擦焊接头在3.5% NaCl水溶液中的电化学参数
    Table  1.  Electrochemical parameters of FSW welded 2A12 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution
    状态区域腐蚀电流密度
    i/(mA·cm−2)
    腐蚀电位
    E/V
    无冲击母材区5.23 ± 0.03−0.554 ± 0.005
    热影响区7.59 ± 0.02−0.629 ± 0.006
    热力影响区5.85 ± 0.04−0.625 ± 0.006
    焊核区5.67 ± 0.02−0.623 ± 0.003
    超声冲击母材区4.92 ± 0.02−0.534 ± 0.005
    热影响区6.23 ± 0.04−0.602 ± 0.003
    热力影响区4.57 ± 0.03−0.596 ± 0.005
    焊核区5.31 ± 0.04−0.555 ± 0.007
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    (1)在3.5% NaCl溶液中浸泡腐蚀480 h后,2A12铝合金搅拌摩擦焊接头的平均腐蚀速率为0.27 g/(m2·h),经超声冲击处理后,平均腐蚀速率降低至0.14 g/(m2·h),约为前者的1/2.

    (2)与接头其它区域相比,热影响区的耐蚀性能最差,未经超声冲击处理的接头热影响区自腐蚀电位为−0.629 V(Ag/AgCl),腐蚀电流密度为7.59 mA/cm2,腐蚀倾向和腐蚀速率最高,腐蚀480 h后腐蚀坑深度的平均值约为125 μm.

    (3)未经过超声冲击处理的试样主要腐蚀形式为点蚀和晶间腐蚀,且主要发生在耐蚀性较差的热影响区,在腐蚀过程中存在点蚀和缝隙腐蚀缺陷串联的过程,导致腐蚀速率出现快速增加;经超声冲击处理后,接头呈现均匀腐蚀的形式.

    (4)经过超声冲击处理后,接头各区的自腐蚀电位均有不同程度的增加,腐蚀倾向降低;自腐蚀电流密度减小,腐蚀速率降低. 超声冲击作用下材料表层晶粒发生了显著地细化和致密化,这些特征变化均有利于材料耐蚀性能的提高.

  • 图  1   超声冲击前后2A12铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀速率

    Figure  1.   Corrosion rate of FSW welded 2A12 aluminum alloy with and without ultrasonic impact treatment (UIT)

    图  2   超声冲击后2A12铝合金的截面形貌

    Figure  2.   Section morphology of 2A12 aluminum alloy after UIT

    图  3   超声冲击前、后浸泡试样表面形貌

    Figure  3.   Surface morphology of the specimens with and without UIT. (a) without UIT; (b) with UIT

    图  4   超声冲击前、后热影响区腐蚀形貌

    Figure  4.   Corrosion morphology of HAZ with and without UIT. (a) without UIT; (b) with UIT

    图  5   接头各区在3.5% NaCl溶液中的极化曲线

    Figure  5.   Polarization curves of different areas of welded joint in 3.5% NaCl solution

    表  1   2A12铝合金搅拌摩擦焊接头在3.5% NaCl水溶液中的电化学参数

    Table  1   Electrochemical parameters of FSW welded 2A12 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution

    状态区域腐蚀电流密度
    i/(mA·cm−2)
    腐蚀电位
    E/V
    无冲击母材区5.23 ± 0.03−0.554 ± 0.005
    热影响区7.59 ± 0.02−0.629 ± 0.006
    热力影响区5.85 ± 0.04−0.625 ± 0.006
    焊核区5.67 ± 0.02−0.623 ± 0.003
    超声冲击母材区4.92 ± 0.02−0.534 ± 0.005
    热影响区6.23 ± 0.04−0.602 ± 0.003
    热力影响区4.57 ± 0.03−0.596 ± 0.005
    焊核区5.31 ± 0.04−0.555 ± 0.007
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  • [1] 朱有利, 李占明, 韩志鑫, 等. 超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头表层组织性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(1): 130 − 133.

    Zhu Youli, Li Zhanming, Han Zhixin, et al. Effect of ultrasonic impact treatment on microstructure and properties of surface layer of 2A12 aluminum alloy weld joint[J]. Rage Metal Materials and Engineering, 2010, 39(1): 130 − 133.

    [2] 刘大海, 宗崇文, 黎俊初, 等. 热处理对2A12铝合金搅拌摩擦焊板件时效成形的影响[J]. 材料热处理导报, 2015, 36(6): 71 − 77.

    Liu Dahai, Zong Chongwen, Li Junchu, et al. Effects of heat treatment on creep age forming formability of friction stir welded 2A12 aluminum alloy sheet[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36(6): 71 − 77.

    [3] 邓云发, 张体明, 干贤威, 等. 超声冲击对铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响[J]. 精密成形工程, 2019, 11(5): 78 − 85. doi: 10.3969/j.issn.1674-6457.2019.05.011

    Deng Yunfa, Zhang Timing, Gan Xianwei, et al. Effect of ultrasonic impact on microstructure and properties of friction stir welded aluminum alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(5): 78 − 85. doi: 10.3969/j.issn.1674-6457.2019.05.011

    [4]

    Miller W S, Zhuang L, Bottema J, et al. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry[J]. Materials Science & Engineering A, 2000, 280(1): 37 − 49.

    [5]

    Williams J C, Starke E A. Progress in structural materials for aerospace systems[J]. Acta Materialia, 2003, 51(19): 5775 − 5799. doi: 10.1016/j.actamat.2003.08.023

    [6]

    Tracie P. Friction stir welding of metal matrix composites foruse in aerospace structures[J]. Acta Astronautica, 2014, 93(1): 366 − 373.

    [7]

    Wang G Q, Zhao Y H, Zhang L N, et al. A new weld repair technique for friction stir welded aluminium structure: inertia friction pull plug welding[J]. China Welding, 2017, 26(4): 56 − 64.

    [8] 马云龙, 杨子奇, 李劲风. 2195铝锂合金摩擦搅拌焊接头组织与腐蚀行为[J]. 焊接学报, 2019, 40(10): 142 − 147.

    Ma Yunlong, Yang Ziqi, Li Jinfeng. Structure and corrosion behavior of friction stir weld joint of 2195 Al-Li alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(10): 142 − 147.

    [9] 张华, 崔冰, 林三宝, 等. 7050铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为分析[J]. 焊接学报, 2018, 39(7): 71 − 74.

    Zhang Hua, Cui Bing, Lin Sanbao, et al. Corrosion behavior of 7050 aluminum alloy friction stir welding joint[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(7): 71 − 74.

    [10]

    Liu J L, Zhu H, Jiang Y, et al. Evolution of residual stress field in 6N01 aluminum alloy friction stir welding joint[J]. China Welding, 2018, 27(4): 18 − 26.

    [11]

    Urso G, Giardini C, Lorenzi S, et al. The effects of process parameters on mechanical properties and corrosion behavior in friction stir welding of aluminum alloys[J]. Procedia Engineering, 2017, 183(5): 270 − 276.

    [12]

    Liu P, Hu L L, Zhang Q H, et al. Effect of aging treatment on microstructure and corrosion behavior of Al-Zn-Mg aluminum alloy in aqueous solutions with different[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 45(3): 13 − 27.

    [13] 王磊, 李平赟, 回丽, 等. 盐水环境下2A12铝合金搅拌摩擦焊缝腐蚀速率[J]. 焊接学报, 2016, 37(1): 15 − 19.

    Wang Lei, Li Pingyun, Hui Li, et al. Corrosion rate of 2A12 aluminum alloy friction stir weld under salt solution[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2016, 37(1): 15 − 19.

  • 期刊类型引用(4)

    1. 邹阳,魏巍,范悦,王泽震,王强,赵亮. 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究进展. 热加工工艺. 2024(03): 7-13 . 百度学术
    2. 牛赢,王壮飞,孙海猛,楚帅震,焦锋. 表面纳米化对材料性能影响的研究进展与展望. 表面技术. 2023(04): 15-30 . 百度学术
    3. 王振飞,杨新俊. 超声冲击处理S30408不锈钢的微观组织演变与电化学性能. 金属热处理. 2022(07): 221-226 . 百度学术
    4. 汤化伟,邓云发,钱帅豪,张体明,陈玉华. 2219和2195铝合金焊接接头的腐蚀行为差异研究. 精密成形工程. 2022(08): 111-117 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-02
  • 网络出版日期:  2020-10-20
  • 刊出日期:  2021-01-06

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