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7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面在盐水环境中腐蚀坑形貌

曾浩然 徐卫平 柯黎明 赵俊

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7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面在盐水环境中腐蚀坑形貌

    通讯作者: 徐卫平; 
  • 中图分类号: TG171

Morphology of Corrosion Pits on the Surface of Friction Stir Welded Joint of AA7075 Aluminum Alloy in Salt Water Environment

    Corresponding author: Wei-ping XU
  • CLC number: TG171

  • 摘要: 以7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面分区情况及微观组织为基础,采用超景深三维显微镜研究了接头表面在盐水溶液中一定时间内腐蚀坑的立体形貌,统计分析了腐蚀坑分布及形貌变化规律。结果表明:接头表面各区腐蚀损伤程度和晶粒尺寸呈正相关关系,经360 h的腐蚀试验,热影响区腐蚀坑平均深度和最大深度在接头各区中居首位,平均腐蚀坑深度为120 μm;轴肩作用区腐蚀损伤最轻,平均腐蚀坑深度为50 μm。
  • 图 1  7075铝合金FSW接头表面形貌及微观组织

    图 2  FSW接头表面腐蚀360 h时腐蚀坑深度云图

    图 3  FSW接头表面腐蚀坑尺寸测量图

    图 4  FSW接头不同区域在不同浸泡时间时腐蚀坑深度

    表 1  7075铝合金化学成分(质量分数 /%)[13-14]

    元素SiFeCuMnMgCrZnTiAl
    含量0.100.361.600.062.70.205.430.03余量
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-10
  • 录用日期:  2019-07-12
  • 刊出日期:  2019-09-01

7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面在盐水环境中腐蚀坑形貌

    通讯作者: 徐卫平; 
  • 南昌航空大学 国防重点学科实验室, 南昌 330063

摘要: 以7075铝合金搅拌摩擦焊接头表面分区情况及微观组织为基础,采用超景深三维显微镜研究了接头表面在盐水溶液中一定时间内腐蚀坑的立体形貌,统计分析了腐蚀坑分布及形貌变化规律。结果表明:接头表面各区腐蚀损伤程度和晶粒尺寸呈正相关关系,经360 h的腐蚀试验,热影响区腐蚀坑平均深度和最大深度在接头各区中居首位,平均腐蚀坑深度为120 μm;轴肩作用区腐蚀损伤最轻,平均腐蚀坑深度为50 μm。

English Abstract

    • 7075铝合金是一种可热处理强化的Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金,母材强度为500~700 MPa,具有较高的比模量、比强度、比刚度等优点,特别适用于抗腐蚀性能强并且强度要求高的飞机结构件[1]。7075铝合金主要采用惰性气体保护焊(TIG)进行焊接,但焊接时容易产生裂纹、接头软化、应力集中等问题[2]。搅拌摩擦焊(Friction Stir Weld, FSW)是一种固相连接技术,可以很好的解决上述铝合金熔焊接头所出现的问题,并具有良好的经济效益以及绿色、环保、无污染等优点,从而被迅速应用于航空航天领域[3]

      有研究发现,相比于大气污染、工业污染、潮湿空气、盐雾等环境,盐水环境对飞机的腐蚀损伤最为严重[4]。而7000系铝合金因为存在较高含量的Zn元素,所以该系铝合金具有更大的负电极电位,其本身可以作为良好的牺牲阳极使用[5],由此引发的腐蚀损伤会对飞机等装备产生极大威胁,故会提高维修费用,因此海航飞机的大修周期与内陆飞机的大修周期相比更短[6]。所以,开展铝合金盐水环境下腐蚀机理及防护工作具有非常现实的意义。目前国内外学者主要研究FSW接头截面的腐蚀行为[7-10],但对FSW接头表面的腐蚀行为研究较少[11-12],事实上在设备服役期间焊接接头表面也是应关注的重点。本研究通过观察7075铝合金FSW接头在3.5%的NaCl溶液模拟盐水环境中不同试验时长时腐蚀状况,结合腐蚀表面3D立体形貌,研究7075铝合金FSW接头各区域的腐蚀坑分布规律及腐蚀程度,为腐蚀疲劳寿命的数据收集和预测作前期探索。

    • 试验材料为5 mm厚7075铝合金,其化学成分如表1所示,状态为T6态。焊前使用丙酮和钢丝刷去除铝合金板材表面油污、氧化膜及包铝层。

      表 1  7075铝合金化学成分(质量分数 /%)[13-14]

      元素SiFeCuMnMgCrZnTiAl
      含量0.100.361.600.062.70.205.430.03余量
    • 搅拌摩擦焊试验设备由X53K铣床改装而成,其搅拌头的转速可在37.5~1 500 r/m范围内进行调节,行进速度可在23.5~1 180 mm/min范围内进行调节,搅拌头倾斜角任意可调。搅拌头选择圆柱形搅拌针,搅拌头轴肩为直径12 mm,搅拌针长4.6 mm。

    • 焊接时,将待用的试验材料沿着板材轧制方向进行FSW单道对接焊,其工艺参数为:旋转速度为475 r/min,搅拌头沿焊缝方向的焊接速度为30 mm/min,搅拌头倾斜角度2°。焊后,将焊好的板材制成尺寸为10 mm × 40 mm × 5 mm的试样,共九块,分为3组。将3组镶嵌好的试样制备成金相试样,用Keller试剂进行腐蚀,再用Zeiss Axioscope A1光学显微镜进行组织观察,并用Canon EOS 50D单反相机进行宏观拍照。

      腐蚀时,试样的腐蚀面为焊缝上表面,其余面用703硅橡胶密封。按照金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法JB/T7901—1999标准进行浸泡腐蚀,腐蚀液为去离子水配制的质量分数为3.5%的NaCl溶液,腐蚀温度为室温(25 ± 2) ℃,浸泡试验模拟的环境为海水环境;腐蚀时间为120、240、360 h,腐蚀液7 d更换一次。腐蚀后,取20 g CrO3和50 mL H3PO4加水稀释到1 000 mL,加热到80 ℃,然后将腐蚀试样放入NaCl溶液中浸泡5~10 min,去除腐蚀产物,之后用VHX-600型超景深三维显微镜观察腐蚀后的焊接接头表面微观形貌并测量腐蚀坑几何尺寸。

    • 图1为7075铝合金FSW接头表面宏观及微观组织照片。图1a为FSW接头表面腐蚀后的宏观形貌,可分为4个区域,即母材(Base Metal,BM)、轴肩作用区(Shoulder Affected Zone,SAZ)、热机影响区(Thermal Mechanical Affected Zone,TMAZ)、热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)[15]。其中TMAZ又可分为前进侧热机影响区(AS-TMAZ)和后退侧热机影响区(RS-TMAZ)。图1b图1e分别是它们的组织形貌。从图1a可以看到FSW接头经搅拌头轴肩的循环挤压而产生的弧纹特征,有研究认为弧纹结构和第二相粒子的分布有关[16]图1b为母材经轧制形成的板条状组织,晶粒细长。图1c为SAZ的晶粒,与母材相比,发生了明显的细化,为细小的等轴晶组织。图1d TMAZ晶粒沿焊接前进方向发生了严重变形,部分区域由于热和力的作用发生了动态再结晶,生成了细小的等轴晶组织。图1e HAZ的晶粒尺寸较BM大,但没有发生明显的长大,这可能与采用的焊接参数所产生的热输入量较小有关。

      图  1  7075铝合金FSW接头表面形貌及微观组织

    • 图2为接头表面各区腐蚀360 h后腐蚀坑分布云图,图中具有特定形状且近似圆形的部分是腐蚀坑,图中左侧标尺数值代表视野内不同腐蚀坑的深度值。图2a为BM的腐蚀坑云图,从图中可以发现BM腐蚀坑形状比较规则,腐蚀坑深度之间的差异较大,BM腐蚀坑主要沿轧制线方向呈链状分布,且由于晶间腐蚀留下了长条状腐蚀坑,并逐步发展成剥落腐蚀的趋势。图2b为SAZ腐蚀坑云图,区域内腐蚀坑数量较少,形状比较规则,其大小和分布皆比较均匀,铝合金的腐蚀一般起源于第二相组织,焊核区的第二相主要为细小的η相(MgZn2)、少量的θ相(CuAl2)和一些尺寸较小的破碎的含Fe相。SAZ的腐蚀主要是由含Fe相腐蚀脱落后留下的。图2c为TMAZ腐蚀坑云图,腐蚀坑的尺寸差异较大,有些腐蚀坑的形状并不像图2a图2b中那样呈圆形分布,部分腐蚀坑出现了拉长,可见明显的轧制流线,说明发生了晶间腐蚀,晶界物质被腐蚀掉,且由于受力作用较小,降低了基材中含Fe相的破碎效果,导致腐蚀坑分布不均匀。

      图  2  FSW接头表面腐蚀360 h时腐蚀坑深度云图

      图2d为HAZ腐蚀坑云图,该区腐蚀坑数量较多,尺寸较大且不规则,平均腐蚀坑深度为120 μm,腐蚀360 h后,多个腐蚀坑存在部分相交区域,主要是由于受热循环作用,HAZ中的含Fe相发生严重粗化,所以腐蚀后形成的腐蚀坑较大。对比发现,BM的腐蚀坑密度高于SAZ低于TMAZ,与HAZ相当,且该区多个腐蚀坑存在相交区域,形成片状,但其腐蚀坑深度比TMAZ稍低、远低于HAZ,接近于SAZ的深度。SAZ的腐蚀损伤最轻,腐蚀坑数量最少,其深度与其他区域相比也是最小的,平均腐蚀坑深度为50 μm;TMAZ的腐蚀坑数量介于SAZ和BM之间,腐蚀坑之间尺寸相差较大呈现出两极分化的形貌。与其他几个接头区域相比,HAZ的腐蚀坑无论在数量上还是尺寸上都更多更大,说明该区腐蚀情况最为严重。

    • 图3为接头表面腐蚀坑尺寸测量示意图,图中直线代表统计区域,下方的曲线图表示对应直线区域相对试样表面的深度示意图。图4为接头表面各区腐蚀坑的分布,其中图4a为统计区域内FSW接头不同区域在不同浸泡时间时腐蚀坑平均深度;图4b为统计区域内FSW接头不同区域在不同浸泡时间下腐蚀坑最大深度。由于采取的腐蚀试验时间最长为360 h,而事实上腐蚀是一个持续发展的过程,随着腐蚀时间变长,接头各区域的平均腐蚀深度和最大腐蚀深度都逐步增大的,腐蚀持续进行。根据图4可以发现,接头不同区域的腐蚀程度随着腐蚀时间的增加而增大;焊接接头各区域平均腐蚀坑深度从大到小排序为:HAZ > TMAZ > BM > SAZ,焊接接头各区最大腐蚀坑深度从大到小排序为:HAZ > TMAZ > BM > SAZ。

      图  3  FSW接头表面腐蚀坑尺寸测量图

      图  4  FSW接头不同区域在不同浸泡时间时腐蚀坑深度

      需要指出图4b中BM在腐蚀时间为240 h的时候,最大腐蚀坑深度甚至超过了腐蚀时间为360 h时测得的数据,似乎不符合上面的规律。分析认为这主要是当浸泡240 h时,BM在腐蚀过程中材料上表面金属发生不均匀腐蚀溶解,造成区域测量基准面较高;而当浸泡360 h时,BM不均匀腐蚀程度降低,降低了BM的测量基准面,所以测量时会产生上述情况。

    • 1)7075铝合金搅拌摩擦焊接头不同区域的腐蚀程度随着腐蚀时间的增加而增大;接头表面各区腐蚀坑深度从大到小排序为:HAZ > TMAZ > BM > SAZ,其中,HAZ的平均腐蚀坑深度为120 μm,SAZ的平均腐蚀坑深度为50 μm。

      2)接头表面腐蚀坑的形貌与晶粒大小呈正相关关系,晶粒的尺寸越大,腐蚀坑的尺寸越大,深度也越大。

参考文献 (16)

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