2219铝合金焊接接头晶间腐蚀行为

2219铝合金焊接接头晶间腐蚀行为 2219铝合金焊接接头晶间腐蚀行为

章淑芳1,3， 郝云飞2， 王晓敏3， 陈 辉1， 廖潇垚3， 李明星3

(1. 西南交通大学 四川省先进焊接及表面工程技术研究中心，成都 610031；2. 首都航天机械公司，北京 100076； 3. 西南交通大学 生命科学与工程学院，成都 610031)

摘 要：采用晶间腐蚀试验及极化曲线测试方法对2219铝合金母材、搅拌摩擦焊(FSW)及钨极氩弧焊(TIG)接头的腐蚀行为进行分析，借助金相显微镜、激光共聚焦显微镜、体视显微镜、扫描电镜及能谱仪分析腐蚀形貌及腐蚀产物. 结果表明，2219铝合金母材及焊接接头的腐蚀行为主要与析出相有关，Al2Cu的析出导致贫铜的无沉淀带作为阳极优先溶解. 母材的抗晶间腐蚀能力最差，由表面点蚀开始，沿轧制方向逐渐发展为剥落腐蚀；TIG焊次之，表现为网状晶间腐蚀；FSW焊最低，焊核表现为点蚀，散落分布于表面.

关键词：2219铝合金；焊接接头；点蚀；晶间腐蚀；极化曲线

0 序 言

2219铝合金属Al-Cu系合金，比强度高，具有较优的高温和超低温力学性能，断裂韧度好，加之其良好的焊接性，目前已在在航空、航天及其他军民运载工具等领域得到了广泛的应用. 搅拌摩擦焊是一种固态塑性连接方法，近年来在航空高强铝合金的焊接中有长足的发展[1-3]. 目前对2219铝合金搅拌摩擦焊接头的分析主要集中在焊接工艺参数、力学性能、微观组织等方面[2,3]. 对于搅拌摩擦焊接头的腐蚀行为国内外开展了一些分析. Srinivasan[4]和张华[5] 对2219搅拌摩擦焊接头的晶间腐蚀行为进行了分析，对母材与焊核区的腐蚀性能进行了比较，Mahmoud[6] 对焊接工艺FSW 接头的腐蚀行为进行了分析，Wei[7] 和Rossana[8] 对2219FSW接头的点蚀行为进行了分析，关于2219FSW接头腐蚀行为的分析大多集中在接头与母材抗腐蚀性能的比较上，而对于不同焊接方法所得到的接头的腐蚀性能的比较则关注较少.

目前钨极氩弧焊(TIG)，等离子焊(PAW)等熔化焊方法在2219铝合金的焊接中仍有较多应用，搅拌摩擦焊由于焊接热输入量小，可以有效地避免因熔化焊产生的气孔、夹杂以及变形等引起的焊接缺陷，因而提高了力学性能[9]. 由于搅拌摩擦焊接头的微观组织、析出相与熔化焊不同，必然呈现出不同的腐蚀性能. 文中针对2219铝合金的FSW和TIG两种焊接接头的晶间腐蚀性能进行测试，对比二者的腐蚀性能差异，对腐蚀原因、腐蚀机理进行探讨.

1 试验方法

试验用材料为6 mm厚2219铝合金板材，热处理状态为C10S. 搅拌摩擦焊接工艺参数为：焊接速度180 mm/min，搅拌头的转速800 r/min. 钨极氩弧焊为单面双层焊接工艺，第一道是直流氦弧打底，不填丝，第二道为交流脉冲氩弧盖面，填丝(2325焊丝)，设备为MILLER700焊机. 母材及2325焊丝的化学成分见表1.

表1 2219母材及2325焊丝的化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 2219 and ER2325

材料CuMnZrTiSi母材7.5360.2820.1590.0490.22325焊丝5.8～6.80.2～0.40.1～0.20.1～0.20.2FeMgVZnAl0.13

在垂直于焊缝中心取金相试样60 mm×10 mm×6 mm，经粗磨、细磨及抛光处理后，采用Keller试剂(1 mL HF，1.5 mL HCl，2.5 mL HNO3，95 mL H2O)腐蚀试样表面.晶间腐蚀试验参照标准GB/T 7998—《铝合金晶间腐蚀测定方法》及HB 5255—83《铝合金晶间腐蚀及晶间腐蚀倾向的测定》，试样尺寸为40 mm×25 mm×6 mm，分别取自母材和两种焊接接头处. 试验前先用丙酮擦净试样表面油污，浸入氢氧化钠溶液5 ～15 min，用水洗净后浸入硝酸溶液至表面光洁，用蒸馏水洗净，浸入腐蚀液(57 g NaCl，10 mL H2O2，加水至1 L)中，试验温度为35 ℃±1 ℃，腐蚀时间6 h. 试验结束后按 GB/T 16545—1996《金属和合金的腐蚀-腐蚀试样上腐蚀产物的清除》清洗腐蚀产物.采用VK-9700激光共聚焦显微镜观察试样表面腐蚀形貌及腐蚀产物分析，在试样表面随机选取十个视场，借助VK Analyzer软件计算腐蚀坑深度. 将试样在一端切去5 mm，截面抛光后不作浸蚀，观察腐蚀形貌.

极化曲线测试采用CS310电化学工作站. 试样工作面为8 mm × 6 mm，作为工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，铂片为辅助电极，试验温度为35 ℃±1 ℃. 采用动电位扫描法，扫描速率为0.125 mV/s，电压范围：-0.5～0.5 V(相对开路电位).

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

图1为2219铝合金母材及焊接接头显微组织图像. 母材组织呈板条状，沿轧制方向分布；FSW接头焊核区在摩擦产生的高温下发生动态再结晶，且在强烈的机械搅拌作用下发生破碎，形成细小的等轴晶；TIG接头焊缝中心晶粒主要呈枝晶和柱状晶形貌.

图1 金相组织

Fig.1 Optical micrographs

图2及表2分别为为母材及焊缝析出相微观形貌和成分. 母材基体为α(Al)，θ相(Al2Cu)为强化相，θ相尺寸为7 μm左右，均匀地分布于基体中，并沿晶粒变形方向排列. 搅拌摩擦焊焊核区的Al2Cu相在机械搅拌作用下破碎后更为细小，尺寸在4 μm左右. TIG焊缝中的析出相主要沿枝晶及柱状晶的晶界呈连续性分布，在晶内也分布有少许析出相. TIG焊缝中的析出相铜含量比母材和FSW焊核中少，主要是焊丝中的铜含量比母材低. 另外，也有可能是其中形成了α(Al)-Al2Cu共晶组织.

图2 析出相粒子的微观形貌

Fig.2 SEM morphologies of precipitated particles

表2 EDS分析结果(质量分数，%)

Table 2 Analysis results of EDS

元素母材基体母材析出相FSW焊缝析出相TIG焊缝析出相Al94.4654.8852.7371.55Cu5.5445.1247.2728.45

2.2 晶间腐蚀(IGC)试验

晶间腐蚀后母材表面腐蚀坑已相互连接，且条状腐蚀坑沿轧制方向排列. FSW焊核区表面点蚀坑均匀分布，腐蚀坑之间尚未连接成片；TIG焊缝呈现与母材相近的连接成片的腐蚀形貌，但没有沿轧制方向排列. 图3为母材、FSW焊核区及TIG焊缝中心的激光共聚焦显微镜(LCSM)形貌. 母材表面的腐蚀坑相互连接成一片，局部由点蚀扩展为剥落腐蚀，蚀坑最大深为30 μm. FSW焊核区以点蚀为主，点蚀坑散落分布于整个焊核区，蚀坑的深度约32 μm；TIG焊缝中心主要以沿晶腐蚀为主，腐蚀沿晶粒的边界发生，在部分晶粒的内部有点蚀存在. 从表面腐蚀形貌的观察可知，母材与TIG焊缝呈现相似的腐蚀特征，腐蚀沿晶界扩展，相互连接；FSW焊核区则为相互独立的点蚀坑.

图3 晶间腐蚀后表面激光共聚焦(LCSM)形貌

Fig.3 Surface morphologies of laser scanning microscope(LCSM)after IGC test

图4为腐蚀在试样深度方向的扩展情况. 母材在深度方向有明显的沿晶界腐蚀痕迹，腐蚀裂纹沿轧制方向扩展，腐蚀深度达80 μm. 在试样的边缘，许多晶粒整体已被腐蚀掉，发展成严重的剥落腐蚀.

FSW焊核区可看到点蚀坑，深度约47.5 μm，在腐蚀坑底可以看到网状的细裂纹相互连接，表明FSW焊核区的腐蚀裂纹扩展前沿也是沿晶的. TIG焊缝区在深度方向呈典型的晶间腐蚀形貌，腐蚀裂纹沿晶界扩展呈现网状，深度约106 μm. TIG焊在深度方向的测量值大于母材，但从形貌可以看出，TIG焊为比较细小的网状腐蚀裂纹，而母材的腐蚀裂纹沿轧制方向相互连接，且有成片剥落的区域. 三种试样由于腐蚀坑底部的沿晶微小裂纹从表面未能观察到，因而使腐蚀深度方向的测量值大于表面的测量值，如图5a所示.

图5a为母材晶间腐蚀试验后SEM形貌，表面沿轧制方向呈片层状剥落，并残留了大量腐蚀产物. FSW焊核区呈点蚀形貌，在蚀坑内部和蚀坑边缘均可清晰地看到大量颗粒物，图5c为图5b中蚀坑放大后的内部典型形貌，为冰糖状晶粒. 图5d为TIG焊缝区扫描形貌，腐蚀优先在枝晶的晶界上发生，且在晶粒上留有部分白色絮状物质. 对该物质进行EDS分析，结果见表3，白色物质主要为铝、铜的氧化物、氯化物等腐蚀产物.

图4 深度方向腐蚀形貌

Fig.4 Corrosion morphologies of the cross-section

图5 IGC试验后表面SEM形貌

Fig.5 SEM morphologies after IGC test

表3 TIG焊缝中心腐蚀产物EDS结果(质量分数，%)

Table 3 Results of EDS for corrosion products on TIG welding zone surface

OAlClMnCu19.2273.984.800.591.41

2.3 极化曲线测试

母材、FSW焊核区及TIG焊缝区的极化曲线测试结果见图6，采用Tafel方法对极化曲线进行拟合，得到自腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流密度Icorr及腐蚀速率v，见表4. 结果表明，母材的自腐蚀电位最低，FSW焊核最高，从热力学角度，母材的腐蚀倾向最大， FSW焊核最小. 母材的腐蚀电流密度及腐蚀速率均高于TIG接头，FSW接头最小. 母材不仅有较大的腐蚀倾向，且腐蚀一旦进行，其腐蚀速率很大；FSW接头则具有较优的抗腐蚀能力，腐蚀速率也较低.

图6 极化曲线

Fig.6 Polarization curves

表4 腐蚀特征参数

Table 4 Corrosion’s characteristic parameters

试样名称自腐蚀电位E/mV腐蚀电流密度I/(10-6A·cm-2)腐蚀速率v/(10-2mm·a-1)母材-111.338.559.78FSW焊核区-23.474.855.29TIG焊缝-41.2465.946.47

2.4 腐蚀原因分析

2219铝合金母材及焊接接头在腐蚀介质中，合金表面的氧化物膜层便处于水分子，OH-，Cl-等阴离子的包围中，这些阴离子均吸附在合金的表面，与表面氧化物结合，形成铝的氧化物、氯化物等腐蚀产物. 具体的反应主要包括

阴极：H2O2→H2O+O 2H2O+2e-→H2+2OH- 2H2O+O2+4e-→4OH-

阳极

随着表面氧化物膜层的溶解，合金表面有缺陷的部位优先被腐蚀为微坑，Cl-在这些部位聚集，生成腐蚀产物，在合金的表面和内部形成“小阳极-大阴极”的腐蚀电偶，促使点蚀的发生[5,10].

铝合金及焊接接头的腐蚀行为与其析出相有紧密的联系. 2219铝合金母材及两种焊接接头的主要析出相为θ相(Al2Cu)，当铜以Al2Cu相在基体α(Al)固溶体中析出后，周围形成电位较低的贫铜区，而θ富铜相电位高，腐蚀主要在贫铜区发生[11]. 母材中的强化相沿轧制方向分布，导致腐蚀沿轧制方向扩展. 由于母材中的Al2Cu析出相尺寸较大，电偶效应明显，腐蚀程度也最为严重，由点蚀坑逐步发展为剥落腐蚀. FSW焊核区由于焊接热输入较小，原始母材中的析出相颗粒未完全溶解，在机械搅拌作用下破碎成为Al2Cu相小颗粒，比母材中的析出相更弥散、均匀，点蚀坑从Al2Cu相附近的贫铜区开始，发展为独立的点蚀坑. 同时，在摩擦热的作用下，析出相发生了部分溶解，尺寸和数量均比母材析出相小，富铜相与贫铜区之间的电偶效应比母材弱，腐蚀程度也较小. TIG焊缝区的Al2Cu相呈网络状连续分布，在晶界偏聚，在部分晶粒内部也有少量分布. 在晶间析出物、晶内及贫铜区三者中，贫铜区的电位最低，晶间析出物最高，三者形成腐蚀微电池，贫铜区作为阳极先被腐蚀掉，呈现网状沿晶腐蚀.

3 结 论

(1) 2219铝合金母材晶粒呈板状，析出相(Al2Cu)沿轧制向分布；FSW焊核区为细小的等轴晶，Al2Cu相呈弥散分布；TIG焊缝以α(Al)树枝晶为基体，α(Al)-Al2Cu共晶组织呈网状均匀分布于晶间及部分晶粒内部.

(2) FSW焊核的耐蚀性最优，TIG焊缝其次，母材的抗晶间腐蚀能力最差. 母材由表面点蚀开始，沿轧制方向逐渐发展为剥落腐蚀；FSW焊核为点蚀，散落分布于表面；TIG焊缝为网状晶间腐蚀. 母材的自腐蚀电位最低，FSW焊核最高；腐蚀电流密度和腐蚀速率则是母材最高，FSW焊最低.

(3)母材、TIG焊缝、FSW焊核的腐蚀行为主要与其析出相有关，由于Al2Cu的析出，贫铜的无沉淀带作为阳极优先溶解. 母材析出相粗大，且有定向排列，电偶效应最明显，因而最易发生腐蚀；而FSW焊核的析出相受搅拌摩擦作用发生了溶解和破碎，因而腐蚀程度最小.

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收稿日期：-04-11

基金项目：国家重点研发计划资助项目(YFB0700505)

作者简介：章淑芳，女，1990年出生，硕士研究生. 主要从事铝合金焊接、腐蚀、失效分析等方面的研究. 已发表论文2篇. Email: zsfcuit@

通讯作者：王晓敏，女，博士，副教授. Email: xmwang991011@

中图分类号：TG 172

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()04-0022-05

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