前言

7075鋁合金具有較高的比強度、彈性模量、斷裂韌性，廣泛應用于制造飛機梁、起落架部件等。隨著航空航天技術的興起，厚板鋁合金在航空工業中的應用越來越廣泛。1991年發明的攪拌摩擦焊（FSW）它能很好地解決焊縫金屬凝固裂紋、熱影響區軟化、應力集中等常見問題，廣泛應用于航空領域。

目前，對于厚板鋁合金FSW接頭性能的研究主要集中在接頭的力學性能上，但厚板鋁合金FSW關于接頭沿厚度方向的腐蝕行為的報不多。厚板鋁合金在FSW當時，板厚方向的溫度梯度較大，導致焊縫厚度方向的金屬塑化程度和流動行為不同，導致組織結構不同，導致接頭沿板厚方向的腐蝕性能不同。

Xu等對14mm厚的2219-O鋁合金FSW研究了接頭焊核區上、中、下三個位置的點蝕行為，焊核上部區域比下部區域具有更好的耐腐蝕性。胡百暉等對8mm厚的LY12鋁合金FSW分層腐蝕焊縫。研究結果表明，焊核區的腐蝕程度在厚度方向下逐漸增加，熱機影響區（TMAZ）和熱影響區（HAZ）腐蝕程度逐漸降低。

晶間腐蝕是鋁合金材料常見的腐蝕形式之一，在腐蝕初期不易發現，給使用這些材料的飛機和船舶帶來了嚴重的安全風險。目前厚板鋁合金FSW對焊縫晶間腐蝕的研究較少。

所以這篇文章是20mm厚7075鋁合金板是研究對象，沿焊縫厚度方向FSW分層晶間腐蝕接頭，研究各層各區域的晶間腐蝕行為，分析厚板7075鋁合金的組織結構FSW接頭晶間腐蝕的影響。

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實驗方法

實驗材料為20mm厚的AA7075-T6鋁合金板，其化學成分(質量分數，%)為Si0.1，Zn5.43，Mn0.06，Ti0.03，Fe0.36，Cu1.6，Cr0.2，Mg2.7，Al余量。選用自制攪拌摩擦焊設備進行實驗。選用攪拌頭軸肩36mm，錐形攪拌針端徑8mm、根部直徑14mm、長19.7mm。FSW工藝參數為：旋轉速率235r/min，焊接速率30mm/min，傾斜角度2°，下壓量0.5mm。

沿焊件水平面截取金相樣品，拋光拋光后使用Keller試劑腐蝕，使用Zeiss Axioscope A1型光學顯微鏡對接頭各區域進行微觀組織觀察。截取晶間腐蝕試樣示意圖見圖1。

圖1 晶間腐蝕樣本截取示意圖

將切好的50mm×10mm×20mm接頭沿厚度方向每隔4次mm切成1個50mm×10mm×4mm共5個樣品，從上到下分別標注1#、2#、3#、4#和5#5個樣品。打磨拋光樣品的上表面，然后按壓GBT晶間腐蝕試驗采用7998-2005鋁合金晶間腐蝕試驗。腐蝕介質為57g NaCl 1000mL H2O 10mL H2O2溶液。

各層上表面為腐蝕面，非腐蝕面密封；腐蝕溫度為(35±2）℃，腐蝕時間為6h。腐蝕后，取20g CrO和50mL H3PO4加水稀釋到1000mL后，加熱到80℃，然后將腐蝕樣品浸泡5~10min，去除腐蝕性產品。

晶間腐蝕深度采用光學顯微鏡測量，Canon EOS 50D用單反相機觀察樣品腐蝕的宏觀形狀VEGA II LMH掃描電子顯微鏡（SEM）自帶能譜儀（EDS）觀察試件各區域的微觀腐蝕形態，觀察各區域的第二相粒子EDS分析。

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結果與討論

圖2為接頭橫截面宏觀圖。接頭可根據組織特征分為四個區域：焊接區（NZ）、熱機影響區（TMAZ）、HAZ軸肩影響區（SAZ）。圖中AS為前進邊，RS為返回邊。本文將NZ和SAZ視為焊縫中心區。

圖2 7075鋁合金焊接接頭橫截面宏觀

圖3是沿板厚方向各層試樣上表面晶間腐蝕的宏觀形態。從圖3和參照圖2的位置可以看出，HAZ由于大量腐蝕坑，光的漫反射增強，顏色明顯暗，腐蝕程度嚴重，焊縫中心區域和TMAZ顏色白亮，說明腐蝕程度輕。圖3a焊縫上表面SAZ，可見大量腐蝕坑表明其腐蝕程度低于下部NZ嚴重。

圖3 沿板厚方向各層試樣上表面晶間腐蝕宏觀形貌

圖4 3#試樣各區晶間腐蝕顯微

圖4為3#試樣各區晶間腐蝕顯微。可見，不同的區域表現出不同的腐蝕行為，NZ腐蝕最輕，HAZ腐蝕最嚴重。

由圖4b和c可見，NZ大量點蝕坑分布，晶間腐蝕明顯。由圖4e可見，HAZ部分地區表面晶粒大量脫落，剝蝕嚴重。同時，大量腐蝕坑分布在其上，表明HAZ晶間腐蝕不僅發生，還伴有點蝕和剝蝕。由圖4f由此可見，晶粒晶界和晶粒內部都遭受了嚴重的腐蝕，逐漸腐蝕到基體內部。

由圖4h可見，TMAZ區內有大量不規則的腐蝕坑，腐蝕坑內仍有未脫落的二相粒子(如圖中箭頭所示)。由于晶界被腐蝕，可以從圖4開始i特征明顯的觀察TMAZ晶粒組織。因此，TMAZ同時存在內晶間腐蝕和點蝕。

表1 沿板厚試樣各層各區晶間腐蝕深度

表1為沿焊縫厚度方向各層試樣各區晶間腐蝕深度的測量值。可以看出，焊縫中心區域SAZ和NZ腐蝕深度最小，HAZ與宏觀和微觀腐蝕形態相一致，腐蝕深度最大。焊縫中心最大的腐蝕深度出現在1#樣品中SAZ，腐蝕深度為23.8μm。圖5為3#試樣各區晶間腐蝕深度測量圖。

圖5 3#試樣各區晶間腐蝕深度測量圖

由圖5b可見，TMAZ腐蝕后形狀呈波浪狀，與TMAZ扭曲變形的組織結構是一致的，腐蝕沿晶間進行。從表1可知，TMAZ的最大腐蝕深度出現在焊縫中部的3#試樣上，最大腐蝕深度為68.5μm。結合圖5c可知，HAZ最嚴重的腐蝕傾向，最大的腐蝕深度出現在焊縫頂部的1#樣品HAZ上，深度為123.8μm。

圖6 1#、3#、5#試樣沿焊縫厚度方向水平面不同區域的微試樣

圖6是沿焊縫厚度方向水平面不同區域的微組織形狀。由圖6a-c可此可見，焊縫中心區域為小等軸晶，沿焊縫向下晶粒尺寸略大。這是因為焊縫中心上部的金屬材料受到軸肩的擠壓摩擦和攪拌針的雙重摩擦。溫度最高，晶粒動態再結晶充分，晶粒最小；沿板厚度下降，溫度和攪拌效果逐漸減弱，晶粒動態再結晶程度不如上部充分，晶粒尺寸逐漸增大。

由圖6d-f可見，TMAZ組織變形嚴重，垂直于軋制方向彎曲的長條形，晶粒尺寸沿板厚方向變大后變小。這是因為TMAZ由于上部組織溫度高，塑性擠壓效果強，部分晶粒再結晶成小等軸晶；TMAZ中部組織具有較強的塑性流動曲長條，晶粒尺寸大；TMAZ下部較窄，緊貼NZ，由攪拌針驅動的塑性金屬擠壓，晶粒為長條狀和不規則塊狀，晶粒尺寸略小于中間。

由圖6g-i可見，HAZ由于沿板厚方向的溫度逐漸降低，沿板厚方向的晶粒尺寸逐漸變小，HAZ組織粗化減弱。

圖7為1#試樣各區第二相分布，表2為第二相粒子成分分析。

圖7 1#試樣各區第二次分布

表2 二相粒子成分分析

可見三個區域的第二相粒子形狀不規則。NZ第二相粒子尺寸最小，分布最均勻，尺寸約為1-10μm；TMAZ第二相粒子分布均勻性差，尺寸約為1-15μm；HAZ第二相粒子分布最不均勻，排列成串，尺寸約為5-20μm。

從表2的粒子成分分析可以確定，這些不規則塊的第二相粒子可能是7075鋁合金在鑄錠凝固過程中形成的FeCrAl7和FeAl三等粗大難溶相和FSW高溫沉淀過程共同組成。

根據分析，7075鋁合金將在鑄錠凝固過程中形成FeCrAl7和FeAl在隨后的加工過程中，三等粗大難溶相被破碎，常排列成串。

當厚板7075鋁合金FSW當時，由于焊縫中心區攪拌針機械作用強，這些不溶性第二相破碎，尺寸減小，金屬塑性流分布均勻，NZ第二相粒子尺寸最小；HAZ第二相粒子只受熱循環的影響，因此尺寸最大；TMAZ介于NZ和HAZ同時，它流動金屬的擠壓，第二相破碎，但效果遠弱于NZ因此，該區域的第二相尺寸和分布均勻性介于NZ和HAZ中的之間。

鋁合金晶間腐蝕的主要原因是晶體邊界存在連續沉淀相和無沉淀帶。鋁合金中的第二相往往優先于晶體邊界，導致晶體邊界附近的化學溶質聚集、電位差和電化學反應。

晶粒越大，晶界中的第二相粒子越多，晶界中沿晶體腐蝕的趨勢越大，大晶粒有利于腐蝕介質通過連續晶界向金屬深度發展。

晶粒越大，晶界中的第二相粒子越多，晶界中沿晶體腐蝕的趨勢越大，大晶粒有利于腐蝕介質通過連續晶界向金屬深度發展。本研究中的7075鋁合金FSW接頭、焊縫中心組織為小等軸晶，晶間腐蝕傾向最小，HAZ受熱循環影響，組織粗化，晶間腐蝕傾向最大。

當焊縫中心沿板厚度下降時，晶粒尺寸逐漸增大，晶間腐蝕傾向增大。但從表2可以看出，1#樣品SAZ晶間腐蝕深度大于焊縫下部3#和5#樣品NZ晶間腐蝕深度。這是因為焊縫的上表面SAZ由于攪拌頭反復擠壓，金屬形成周期性弧紋結構。大量的第二相顆粒也周期性地聚集在弧形谷中，這增加了SAZ化學溶質原子的偏析程度SAZ腐蝕程度。

HAZ沿焊縫厚度向下，晶粒尺寸先增大后減小，因此腐蝕深度也表現為中間最大，下部次之，上部最小；HAZ由于熱循環的影響，組織粗化，組織粗化程度逐漸降低，因此，HAZ沿板厚方向，晶間腐蝕深度逐漸降低。

另一方面，點蝕通常是晶間腐蝕的開始，第二相粒子是鋁合金腐蝕的起源。接頭各區域中的大尺寸含Fe難溶相電位偏正，周圍Al基體形成微區電偶對，周圍形成Al基體作為陽極被腐蝕，最終導致這些二相粒子完全脫落，留下腐蝕坑。

焊縫中心區第二相粒子尺寸小，分布均勻，留下大量均勻的小腐蝕坑，進一步削弱了腐蝕介質向金屬的傳輸。在HAZ第二相粒子尺寸最大，腐蝕脫落后留下較大的腐蝕坑，促進金屬內腐蝕，腐蝕介質通過腐蝕缺陷不斷腐蝕基底。而且，HAZ的板條狀組織的晶粒長寬比較大，為晶間腐蝕提供了一個連續的發展空間，使腐蝕產物連續分布，產生鍥形力，易于發生剝落腐蝕。

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結論

7075Al合金FSW焊接接頭焊縫中心組織為細等軸晶，第二相分布均勻，晶間腐蝕最輕；HAZ晶粒尺寸最大，第二相分布均勻性最差，晶間腐蝕最嚴重。

沿板厚蝕程度沿板厚向下，NZ逐漸變大，TMAZ先增后減，HAZ逐漸變小。

7075厚板鋁合金FSW接頭沿板厚方向的晶粒尺寸與第二相粒子尺寸和分布的差異是接頭沿板厚方向晶間腐蝕程度不同的主要原因。

免責聲明:本文內容轉載自《中國腐蝕與防護學報》，作者劉德強、柯黎明、 徐衛平、 邢麗、毛育青，版權歸原作者所有，轉載的目的是傳遞更多信息，這并不意味著他們同意自己的觀點，并對自己的真實性負責。如涉及作品內容、版權等問題，請致電或致函，我們將及時處理！