賁海峰，王少剛，韓小敏，黃　燕

（南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京210016）

Al-Cu-Li合金電子束焊接頭的耐蝕性能

賁海峰，王少剛，韓小敏，黃燕

（南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇南京210016）

研究了新型Al-Cu-Li合金電子束焊接頭的晶間腐蝕和剝落腐蝕行為。利用金相顯微鏡觀察分析接頭不同區(qū)域的晶間腐蝕IGC（Intergranular Corrosion）及剝蝕EXCO（Exfoliation Corrosion）形貌，并測量其最大晶間腐蝕深度。結果表明，在IGC溶液中浸泡24 h后，母材發(fā)生嚴重孔蝕，腐蝕深度較深；焊縫區(qū)發(fā)生局部網絡狀晶間腐蝕；熱影響區(qū)觀察到少量的晶間腐蝕現(xiàn)象。在EXCO溶液中浸泡96 h后，母材發(fā)生了嚴重剝落腐蝕，熱影響區(qū)發(fā)生輕微的剝蝕，焊縫未發(fā)生剝蝕。

Al-Cu-Li合金；電子束焊接頭；晶間腐蝕；剝蝕；腐蝕形貌

0　前言

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，新型鋁鋰合金正逐步取代傳統(tǒng)高強鋁合金用于制作飛行器結構。研究表明[1]，鋁合金中每摻入1％(質量比)的Li元素，可使合金的密度降低3％，彈性模量提高6％，Al-Cu-Li系合金作為第三代鋁鋰合金，合金中各種強化相在強韌化以及提高其他性能方面發(fā)揮著協(xié)同作用，使合金的綜合性能得到很大提高，目前已經成功應用于F16、F22、F35、A380、C-系列等先進軍機和民機以及航天飛機、運載火箭、導彈及衛(wèi)星等領域[2]。

制作飛行器構件采用焊接代替鉚接和機械連接可進一步減輕結構重量和降低生產成本，節(jié)約能源。目前國內外學者對鋁鋰合金的耐蝕性能已進行了一定研究[3-5]，但是有關鋁鋰合金焊接接頭的耐蝕性能研究還比較少見。飛行器在服役過程中難免受到氣流等腐蝕環(huán)境作用，因此研究這類合金焊接接頭的耐蝕性對提高飛機器構件的性能、保證飛行安全具有重要的實際意義?；诖耍狙芯繉l-Cu-Li合金真空電子束焊接頭進行耐蝕性能分析評價，以期為新型Al-Cu-Li合金在實際生產中應用提供理論指導和技術支持。

1　試驗材料及方法

試驗母材為厚度2.5 mm的Al-Cu-Li合金軋制板材，熱處理狀態(tài)為T8態(tài)（固溶，預變性+人工時效），其化學成分為w（Cu）=3.6％，w（Li）=0.8，w（Mg）=0.7，w（Ag)=0.34，w（Zn)=0.32，w（Mn）=0.29，w（Zr）= 0.12，w（Al）為余量。采用電子束工藝進行焊接，接頭型式為對接接頭，經過優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)見表1，焊縫表面成形良好，未發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾雜和微裂紋等缺陷。

表1　電子束焊接工藝參數(shù)

采用線切割方法從焊接試樣上截取制備腐蝕試樣，腐蝕試樣尺寸為10 mm×10 mm×2.5 mm。除腐蝕試樣的試驗表面外，其余非試驗面用環(huán)氧樹脂進行涂封。腐蝕面分別用不同型號砂紙逐級打磨，然后按除油→蒸餾水清洗→干燥備用步驟進行預處理。

晶間腐蝕（IGC）實驗按國家標準GB7998-1987進行，溶液體系為0.5 mol/L NaCl+0.1 mol/L HCl，溶液體積與試樣面積比為20 mL/cm2，實驗溫度保持在35℃±1℃，暴露時間為24 h。將干燥備用的Al-Cu-Li合金接頭試樣浸泡在溶液中24 h后取出，腐蝕試樣經30％HNO3溶液浸泡，蒸餾水沖洗后用吹風機吹干，取其橫截面，經鑲嵌后制成金相試樣，在金相顯微鏡下觀察試樣橫截面晶間腐蝕情況并測量其最大腐蝕深度。

剝落腐蝕實驗按ASTM G-34-79標準進行，溶液為EXCO溶液（4 mol/L NaCl+0.1 mol/L HNO3+ 0.4mol/LKNO3），溶液體積與試樣面積比大于20mL/cm2，實驗溫度為（25±3）℃，將干燥備用的Al-Cu-Li合金接頭試樣浸泡在EXCO溶液中。浸泡腐蝕24 h、48 h、72 h、96 h后，及時拍攝腐蝕后樣品的表面宏觀形貌。按照ASTM G-34-79標準對腐蝕試樣進行評級。評級代號：N表示合金沒有發(fā)生腐蝕、P表示發(fā)生了點蝕；EA：合金表面呈現(xiàn)出小薄片狀、小泡狀、粉狀的腐蝕形貌；EB：合金表面明顯分層；EC：腐蝕滲入基體相當深度；ED：腐蝕更深入基體，并伴有表層金屬剝落。

2　實驗結果與分析

2.1Al-Cu-Li合金電子束焊接頭微觀組織

如圖1所示，鋁鋰合金電子束焊接頭不同區(qū)域的微觀組織明顯不同。Al-Cu-Li合金母材微觀形貌為典型的沿軋制方向的帶狀組織。焊接熱影響區(qū)的組織仍然為沿軋制方向的纖維狀組織，但組織晶粒有所粗化。焊縫金屬經歷了高溫熔化，冷卻凝固的過程，組織為典型的鑄造組織，熔合線附近為柱狀晶，焊縫中心為等軸樹枝晶組織。

圖1　Al-Cu-Li合金電子束焊接頭顯微組織

2.2晶間腐蝕形貌

Al-Cu-Li合金電子束焊接頭在IGC溶液中浸泡24 h后，接頭各區(qū)域的腐蝕形貌如圖2所示。表2為測得的接頭各區(qū)域的最大晶間腐蝕深度。由圖2可知，母材區(qū)域受到的腐蝕程度比焊縫金屬區(qū)、熱影響區(qū)都要嚴重。如圖2a可知，母材區(qū)域存在明顯的點蝕坑，腐蝕產物較多，腐蝕深度也較深，且腐蝕沿著扁平狀晶粒組織擴展，點蝕坑的最大深度為84.5 μm。接頭熱影響區(qū)經歷了焊接熱循環(huán)作用，部分析出相溶解，元素在晶界處發(fā)生偏聚，沿著軋制方向上存在晶間腐蝕，腐蝕程度與母材相比較輕。在焊縫金屬區(qū)可觀察到局部區(qū)域發(fā)生了晶間腐蝕，腐蝕裂紋分布成網絡狀，晶間腐蝕擴展的最大深度為62.4 μm。

圖2　Al-Cu-Li合金接頭在IGC溶液中浸泡24 h后橫截面形貌

表2　Al-Cu-Li合金電子束焊接頭晶間最大腐蝕深度

圖3　Al-Cu-Li合金接頭在EXCO溶液中浸泡不同時間的表面宏觀形貌

2.3剝落腐蝕形貌

Al-Cu-Li合金電子束焊接頭在EXCO溶液中分別浸泡24 h、48 h、72 h、96 h后的表面宏觀形貌照片如圖3所示。表3為接頭在EXCO溶液中浸泡不同時間后，根據(jù)ASTM G-34-79標準評價的剝落腐蝕等級。

由圖3可知，在EXCO溶液中浸泡初期，母材表面變?yōu)榘祷疑?，且局部區(qū)域出現(xiàn)了點蝕，而熱影響區(qū)和焊縫金屬區(qū)沒有明顯變化。當浸泡48 h后，母材的大部分區(qū)域都已經“起皮”，呈現(xiàn)出典型的剝落腐蝕特征。隨著腐蝕時間的延長，母材的剝落腐蝕越來越嚴重，同時發(fā)現(xiàn)，在母材和熱影響區(qū)表面有呈暗紅色的腐蝕產物依附，而焊縫金屬區(qū)只有微量的點蝕坑。當浸泡96 h后，熱影響區(qū)也開始呈現(xiàn)出剝落腐蝕形貌，但腐蝕程度較輕，而焊縫區(qū)只呈現(xiàn)出輕微的點蝕，表面還保持一定的光亮度，腐蝕不明顯。由圖3還可知，焊縫金屬的抗剝落腐蝕性能明顯優(yōu)于母材。

表3　Al-Cu-Li合金接頭在EXCO溶液中的剝蝕發(fā)展過程

3　分析與討論

3.1接頭不同區(qū)域的晶間腐蝕行為

晶間腐蝕的敏感性主要與合金的顯微組織特征有關，特別是第二相的種類、形狀、尺寸和彌散程度等。Al-Cu-Li合金在電子束焊接過程中，局部經歷了高溫焊接熱循環(huán)作用，接頭各區(qū)域的組織和性能發(fā)生了較大變化。鋁合金發(fā)生晶間腐蝕的主要原因是，由于晶界附近的析出相與周圍基體存在電位差，當存在腐蝕介質時，構成腐蝕微電池，使得在沿晶方向上優(yōu)先腐蝕并形成陽極溶解通道[6]。

Al-Cu-Li合金電子束焊接頭在IGC溶液中浸泡24 h后，母材發(fā)生了嚴重的孔蝕。這是由于Al-Cu-Li合金的供貨狀態(tài)為T8，合金中的主要強化相T1相優(yōu)先在位錯、晶界以及亞晶界處形核，預變形導致合金內部形成大量位錯和亞晶界，在隨后的人工時效過程中，T1相在位錯和晶界處大量均勻彌散形核、析出長大[7]。此外，由于T1相的電化學電位較基體的負，兩者之間存在電位差[8-9]，構成若干個腐蝕電池，為點蝕發(fā)生提供了較多有利的位置，從而形成了孔蝕。

在IGC溶液中浸泡24 h后，焊縫金屬局部區(qū)域觀察到了網狀的晶間腐蝕。這是因為焊縫金屬是由母材經高溫熔化、快速冷卻凝固形成的，析出相經歷高溫后全部溶解，焊后處于自然時效狀態(tài)。析出相溶解，溶解后的原子易于在晶界處發(fā)生偏聚，因而晶界的化學活性比晶內高，在IGC腐蝕介質中與周圍金屬形成腐蝕電偶，構成晶間腐蝕通路，使得焊縫形成網狀的晶間腐蝕。

3.2接頭不同區(qū)域的剝落腐蝕行為

母材在EXCO溶液中浸泡96 h后發(fā)生了剝落腐蝕。剝蝕是鋁合金局部腐蝕的一種主要形式，一般認為，當腐蝕沿鋁合金晶界擴展時，腐蝕產物在晶界堆積，產生一個向外的楔應力，使表層晶粒脫落而產生剝蝕[10]。在剝蝕溶液的浸泡下，Al-Cu-Li合金的晶界處會萌生腐蝕，當腐蝕產物堆積到一定量的時候，腐蝕產物堆積會導致產生垂直于晶界向外的楔應力。Al-Cu-Li合金母材經過反復軋制，合金內部為拉長的扁平狀晶粒組織，因此楔應力的方向總是垂直于合金表面，隨著楔應力的增大，在金屬表面生成鼓泡，嚴重時使合金表面呈層狀或片狀剝落，呈現(xiàn)層狀腐蝕形貌。

在EXCO溶液中浸泡96 h后，焊縫金屬未觀察到剝落腐蝕現(xiàn)象，具有優(yōu)異的抗剝落腐蝕能力。Kelly和Robinson[11]認為剝蝕發(fā)生需要滿足兩個必要條件：拉長的晶粒與晶界電偶腐蝕造成的腐蝕通路。如果晶粒不呈拉長狀，腐蝕產物堆積所產生的楔應力就不會都指向表面。由接頭金相組織圖可知，焊縫晶粒呈等軸狀，多數(shù)應力相互抵消，即使產生晶間腐蝕也不能發(fā)展成剝落腐蝕。因此，焊縫金屬的抗剝落腐蝕性能明顯優(yōu)于母材。

在熱影響區(qū)并沒有觀察到明顯的剝落腐蝕，只是存在局部的晶間腐蝕?？赡苁怯捎跓嵊绊憛^(qū)經歷了焊接熱循環(huán)作用，使得晶內的T1相發(fā)生一定程度的溶解，元素在晶界聚集使晶界的化學活性增高，導致發(fā)生沿晶腐蝕。

4　結論

（1）Al-Cu-Li合金電子束焊接頭在IGC溶液中浸泡24 h后，母材表面存在較深的蝕孔，焊縫區(qū)域主要發(fā)生局部網絡狀晶間腐蝕，熱影響區(qū)沿軋制方向上存在局部晶間腐蝕。

（2）Al-Cu-Li合金電子束焊接頭在EXCO溶液中浸泡，隨著時間延長，腐蝕逐漸嚴重。母材區(qū)最先呈現(xiàn)出剝落腐蝕形貌，其次為熱影響區(qū)。焊縫金屬區(qū)在浸泡96 h后，未觀察到明顯的剝蝕現(xiàn)象。

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Corrosion behavior of Al-Cu-Li alloy joint by electron beam welding

BEN Haifeng，WANG Shaogang，HAN Xiaomin，HUANG Yan
（College of Material Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The intergranular corrosion（IGC）and exfoliation corrosion（EXCO）behavior of Al-Cu-Li alloy joints by electron beam welding are investigated.The morphologies of IGC and EXCO in different regions including base metal，heat-effected zone and weld metal are analyzed by using metallographic microscope respectively，and the maximum depth of intergranular corrosion is measured.Results indicate that，after joint sample is immersed in IGC solution for 24h，great pitting corrosion occurs to base metal.The local intergranular corrosion occurs to weld metal and a little intergranular corrosion is developed within HAZ.After immersed in EXCO solution for 96h，the base metal shows severe exfoliation corrosion，but weld metal is not susceptive to the exfoliation corrosion.

Al-Cu-Li alloy；electron beam welding joint；intergranular corrosion；exfoliation corrosion；corrosion morphology

TG456.3

A

1001－2303（2016）05－0036-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.08

2015－01－10；

2015－05－20

賁海峰（1989—），男，江蘇南通人，在讀碩士，主要從事鋁鋰合金的電子束焊接工作。