湯化偉，鄧云發(fā)，錢帥豪，張體明，陳玉華

先進焊接與連接

2219和2195鋁合金焊接接頭的腐蝕行為差異研究

湯化偉1,2，鄧云發(fā)3，錢帥豪3，張體明3，陳玉華3

（1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；3.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

研究運載火箭貯箱用2195新型鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭和熔化焊接頭相對于傳統(tǒng)的2219鋁合金焊接接頭耐腐蝕性能的差異，分析耐蝕性的演變規(guī)律，為貯箱制造及表面防護提供理論指導(dǎo)。以傳統(tǒng)的2219鋁合金為對照，采用鹽霧腐蝕試驗、動電位極化曲線測試等方法系統(tǒng)研究2195鋁鋰合金焊接接頭的腐蝕電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率等方面的性能，進而判斷新型鋁合金材料與傳統(tǒng)鋁合金材料耐蝕性能的差異。2種鋁合金焊接接頭各個亞區(qū)的耐蝕性均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，其中攪拌摩擦焊接頭的耐蝕性能按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、熱機影響區(qū)、焊核區(qū)的順序依次增加；TIG焊接頭的耐蝕性能按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、焊縫區(qū)的順序依次增加，且在熱影響區(qū)存在晶間腐蝕的現(xiàn)象。此外，2219和2195鋁合金TIG焊接接頭熱影響區(qū)自腐蝕電位分別為?0.653 V和?0.667 V，腐蝕電流密度分別為7.35 mA/cm2和7.55 mA/cm2。2219和2195鋁合金攪拌摩擦焊和TIG焊接頭的耐蝕性差別不大，且均在熱影響區(qū)耐蝕性最差；采用同種合金進行焊接時，TIG焊接頭的耐蝕性能比FSW接頭的差。

鋁合金；攪拌摩擦焊；鎢極氬弧焊；腐蝕

2219和2195鋁合金均屬于2系高強鋁合金，都具有較高的比強度、良好的斷裂韌性、良好的焊接性以及良好的疲勞強度等優(yōu)異性能，被廣泛用于航天運載火箭貯箱的制造中[1-3]。一般情況下，鋁合金對鹽霧、鹽水噴霧等腐蝕性環(huán)境異常敏感，容易誘發(fā)腐蝕失效問題，所以這些裝備在近海運輸、近海發(fā)射場地建造期間可能會面臨復(fù)雜苛刻的腐蝕環(huán)境，存在腐蝕失效的風險，這將大大縮短鋁合金結(jié)構(gòu)的使用壽命[4-8]。

通常情況下，2219和2195鋁合金可以采用熔化焊和固相焊等方法進行連接，熔化焊主要有鎢極惰性氣體保護焊（TIG）[9]、熔化極氣體保護焊（MIG）[10]、攪拌摩擦焊（FSW）[11]。其中，固相焊多采用FSW，F(xiàn)SW焊接過程產(chǎn)生的熱輸入較小，可以有效避免因熔化焊產(chǎn)生的氣孔、夾雜以及變形等焊接缺陷[12-14]。FSW焊接接頭區(qū)域經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)和機械攪拌的雙重作用，其接頭的微觀組織與熔化焊接頭的微觀組織存在顯著差別，進而導(dǎo)致二者的耐蝕性也存在差異。除接頭焊縫區(qū)之外，F(xiàn)SW焊接過程中，在熱循環(huán)和機械攪拌的作用下，熱機影響區(qū)（TMAZ）發(fā)生了劇烈的塑性變形，TMAZ的耐腐蝕性能也將發(fā)生相應(yīng)的變化。截至目前，國內(nèi)外研究學(xué)者對熔化焊與FSW接頭耐腐蝕性能差異進行了大量的研究。章淑芳等[15]采用晶間腐蝕試驗及極化曲線測試方法對2219鋁合金母材、FSW接頭以及TIG焊接頭的腐蝕行為進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SW接頭焊核區(qū)耐蝕性最好，表面表現(xiàn)為點蝕，且該區(qū)域腐蝕電流密度最小，其次是TIG焊接頭的焊縫區(qū)，該區(qū)域表面呈現(xiàn)網(wǎng)狀晶間腐蝕的形式，母材的耐晶間腐蝕性能最差，在其表面可以觀察到沿軋制方向發(fā)展的剝落腐蝕，此外，母材區(qū)的腐蝕電流密度最大。劉濤等[16]對6082鋁合金接頭耐腐蝕性能進行研究時發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SW接頭和MIG焊接頭的耐鹽霧腐蝕性能均高于母材的，且2種接頭的耐蝕性相差不大。Malarvizhiv等[17]在研究焊接工藝對AA2219鋁合金接頭性能的影響時發(fā)現(xiàn)，2219鋁合金TIG焊接頭的耐點蝕性能優(yōu)于電子束焊（EBW）和FSW接頭的。由此可見，受鋁合金類型、成分、焊接工藝、測試手段等因素的影響，目前對于鋁合金FSW接頭與熔化焊接頭的腐蝕行為差異尚未得到一致結(jié)論。因此，有必要深入研究不同焊接方法下新型鋁合金焊接結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的適應(yīng)性。

文中采用鹽霧腐蝕試驗和電化學(xué)腐蝕試驗對2219和2195鋁合金FSW和TIG焊接頭腐蝕行為進行對比研究，綜合分析2219和2195鋁合金接頭的腐蝕行為差異，以期為新型鋁合金焊接工藝優(yōu)化提供一定的理論支持。

1 試驗

選用的材料為2219和2195鋁合金，其尺寸均為300 mm×100 mm×8 mm，TIG焊接時選用的焊絲型號為2325，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 2219、2195鋁合金和2325焊絲的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 2219, 2195 aluminum alloy and 2325 welding wire wt.%

TIG焊接時選用單面雙層焊接工藝，焊前對試樣接口處開V形坡口，焊接時打底電流為210 A，蓋面焊電流為230 A。FSW焊接工藝參數(shù)選擇如下：焊接速度為47.5 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min，下壓量為0.3 mm，傾斜角度為2°。

酸性鹽霧腐蝕試驗（NSS）依據(jù)GB/T 10125— 2012[18]在設(shè)備型號為YWX–250C鹽霧腐蝕箱內(nèi)進行，鹽霧試驗溶液為質(zhì)量分數(shù)5%的NaCl水溶液，試驗溫度為（50±0.5）℃。鹽霧腐蝕試驗試樣尺寸為90 mm×15 mm×2 mm，為了降低誤差，每組平行試樣均為4個。當鹽霧腐蝕至規(guī)定時間240 h后，取出試樣，清洗去除試樣的腐蝕產(chǎn)物，烘干后稱量，采用失重法測量腐蝕速率。

式中：0為腐蝕試驗前的試樣質(zhì)量，g；0′為腐蝕試驗后的試樣質(zhì)量，g；為腐蝕時間，h；為試樣暴露于腐蝕介質(zhì)的總面積，mm2；為腐蝕速率，g/(mm2·h)。此外，考慮到鋁合金焊接接頭可能會出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象，對浸泡后接頭的微觀表面進行觀察。

極化曲線測試采用CS310H型電化學(xué)工作站，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)3.5%的NaCl溶液，分別對FSW和TIG焊接頭各區(qū)進行研究，其中接頭測試區(qū)域為工作電極，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，掃描電位范圍為?0.3～0.8 V（vs.OCP），掃描速度為0.5 mV/s，測試并獲得相應(yīng)的極化曲線，結(jié)合酸性鹽霧試驗結(jié)果對比分析2種鋁合金FSW和TIG接頭腐蝕行為的差異。

2 結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭的鹽霧腐蝕形貌

2.1.1 2219鋁合金

圖1為2219鋁合金FSW和TIG焊接頭經(jīng)過鹽霧腐蝕240 h后的宏觀形貌，表2為2種接頭在鹽霧腐蝕試驗中的腐蝕速率。從表2可以判斷，TIG焊接頭的腐蝕速率大于FSW接頭的，說明FSW接頭的整體耐蝕性比TIG焊接頭的強。由于失重法僅能從平均腐蝕速率的角度評價2種接頭耐蝕性的差異，對于局部腐蝕的差異，需進一步通過觀察、分析腐蝕形貌得到。從圖1a可以看出，TIG焊接頭表面熱影響區(qū)附近出現(xiàn)了較大腐蝕坑，母材區(qū)域的腐蝕坑面積顯著小于熱影響區(qū)的，焊縫區(qū)的腐蝕程度最輕。從整體來看，TIG焊接頭的耐腐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、焊縫區(qū)的順序依次增加。從圖1b可以看出，在FSW接頭試樣表面熱影響區(qū)附近出現(xiàn)了較大腐蝕坑，并且有的腐蝕坑還出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象，母材區(qū)域出現(xiàn)了點蝕坑跡象，其他區(qū)域表現(xiàn)出均勻腐蝕形態(tài)。由此可知，F(xiàn)SW接頭各區(qū)域的耐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、熱機影響區(qū)、焊核區(qū)的順序依次增加。綜上可知，F(xiàn)SW接頭耐腐蝕性優(yōu)于TIG焊接頭的，且在TIG焊接頭和FSW接頭中均是熱影響區(qū)的耐腐蝕性最差。

表2 2219鋁合金焊接接頭試樣鹽霧腐蝕速率

Tab.2 Corrosion rate of 2219 aluminum alloy welded joint specimen after salt spray corrosion

由鹽霧腐蝕后的試樣宏觀形貌可知，2219鋁合金的FSW和TIG焊接頭熱影響區(qū)腐蝕最為嚴重，觀察鹽霧腐蝕后的表面微觀形貌以進一步說明接頭的耐腐蝕情況。圖2a、b分別為TIG和FSW焊熱影響區(qū)腐蝕后的表面微觀形貌。可以看出，2種接頭均發(fā)生了由點蝕誘發(fā)的剝落腐蝕，并且出現(xiàn)了較大的腐蝕坑，并且在腐蝕坑周圍出現(xiàn)了晶間腐蝕現(xiàn)象，且TIG焊接頭熱影響區(qū)腐蝕更為嚴重。這進一步證明了宏觀形貌的結(jié)果，又驗證了2種接頭的熱影響區(qū)耐腐蝕性最差這一結(jié)論。

2.1.2 2195鋁合金焊接接頭

圖3為經(jīng)過鹽霧腐蝕240 h后試樣的接頭宏觀形貌。表3為2195鋁合金FSW和TIG焊接頭在鹽霧腐蝕試驗中的腐蝕速率，由表3可見，F(xiàn)SW接頭的腐蝕速率小于TIG焊接頭的，這說明FSW接頭的整體耐蝕性比TIG焊接頭的強。從圖3a可以看出，TIG焊接頭表面熱影響區(qū)附近出現(xiàn)了較大腐蝕坑，母材區(qū)域的腐蝕坑面積顯著小于熱影響區(qū)的，焊縫區(qū)腐蝕程度最輕。從腐蝕后的宏觀形貌可知，TIG焊接頭的耐腐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、焊縫區(qū)的順序依次增加。從圖3b可以看出，在FSW接頭試樣表面熱影響區(qū)附近出現(xiàn)了較大腐蝕坑，并且有的腐蝕坑還出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象，母材區(qū)域出現(xiàn)了點蝕坑跡象，其他區(qū)域表現(xiàn)出均勻腐蝕形態(tài)。由此可知，F(xiàn)SW接頭的耐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、熱機影響區(qū)、焊核區(qū)的順序依次增加。綜上可知，F(xiàn)SW接頭的耐腐蝕性優(yōu)于TIG焊接頭的，TIG焊接頭和FSW接頭均為熱影響區(qū)的耐腐蝕性最差。

圖2 2219鋁合金FSW和TIG焊接頭熱影響區(qū)腐蝕形貌

圖3 2195鋁合金接頭各區(qū)鹽霧腐蝕試樣表面形貌

表3 接頭試樣鹽霧腐蝕后腐蝕速率

Tab.3 Corrosion rate of joint specimen after salt spray corrosion

圖4為鹽霧腐蝕過后2195鋁合金不同接頭熱影響區(qū)的微觀形貌?？梢钥闯觯?種接頭的熱影響區(qū)均出現(xiàn)了較大的腐蝕坑，在腐蝕坑的周圍出現(xiàn)了晶間腐蝕跡象，甚至部分區(qū)域出現(xiàn)了剝落腐蝕現(xiàn)象，并且TIG焊接頭熱影響區(qū)的腐蝕情況更為嚴重。這進一步證明了宏觀形貌的結(jié)果，又驗證了2種接頭的熱影響區(qū)耐腐蝕性最差這一結(jié)論。

圖4 2195鋁合金FSW和TIG焊接頭熱影響區(qū)腐蝕形貌

2.2 2219和2195鋁合金FSW和TIG焊接接頭動電位極化曲線測試

2.2.1 2219鋁合金

圖5為2219鋁合金FSW和TIG焊接頭各區(qū)域在腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)3.5%的NaCl溶液中的動電位極化曲線?？梢钥闯?，F(xiàn)SW和TIG焊接頭表面各區(qū)域均呈現(xiàn)正常的陽極溶解特征，而且隨著極化電位的升高，均沒有出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。表4為2219鋁合金2種接頭不同區(qū)域的自腐蝕電位和腐蝕電流密度。可以看出，F(xiàn)SW和TIG焊接頭熱影響區(qū)的自腐蝕電位最小，腐蝕電流密度最大，說明熱影響區(qū)的腐蝕傾向最高且腐蝕速率最快，即耐蝕性能相比接頭其他區(qū)域的而言最差，這與鹽霧腐蝕中2種接頭的熱影響區(qū)耐蝕性最差的結(jié)論相對應(yīng)。其中，F(xiàn)SW熱影響區(qū)的自腐蝕電位為?0.655 V，腐蝕電流密度為7.28 mA/cm2，TIG焊接頭熱影響區(qū)自腐蝕電位為?0.653 V，腐蝕電流密度為7.35 mA/cm2，這表明2種接頭熱影響區(qū)的腐蝕傾向相差不大。

圖5 2219鋁合金FSW和TIG焊接頭各區(qū)域在質(zhì)量分數(shù)3.5%的NaCl溶液中的極化曲線

表4 2219鋁合金TIG焊和FSW接頭極化曲線的擬合結(jié)果

Tab.4 Fitting results of polarization curves of 2219 aluminum alloy FSW and TIG joints

2.2.2 2195鋁合金

圖6為2195鋁合金FSW和TIG焊接頭各區(qū)域在腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)3.5%的NaCl溶液中的動電位極化曲線。可以看出，表面接頭各區(qū)域呈現(xiàn)陽極溶解的特征，隨著極化電位的升高，均沒有出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。表5為2種焊接接頭不同區(qū)域的自腐蝕電位和腐蝕電流密度?？梢钥闯?，F(xiàn)SW和TIG焊接頭熱影響區(qū)的腐蝕傾向相差不大，在同種焊接接頭中，均是熱影響區(qū)的自腐蝕電位最小，腐蝕電流密度最大，說明熱影響區(qū)的腐蝕傾向最高且腐蝕速率最大，即耐蝕性能相比接頭其他區(qū)域的而言最差，這與鹽霧腐蝕中2種接頭的熱影響區(qū)耐腐蝕性最差的結(jié)論相一致。FSW熱影響區(qū)的自腐蝕電位為?0.661 V，腐蝕電流密度為7.48 mA/cm2，TIG焊接頭熱影響區(qū)自腐蝕電位為?0.667 V，腐蝕電流密度為7.55 mA/cm2，表明2種接頭熱影響區(qū)的腐蝕傾向性最大。

圖6 2195鋁合金FSW和TIG焊接頭各區(qū)域在質(zhì)量分數(shù)3.5% NaCl溶液中的極化曲線

表5 2195鋁合金FSW和TIG焊接頭極化曲線擬合結(jié)果

Tab.5 Fitting results of polarization curves of 2195 aluminum alloy FSW and TIG joints

為從本質(zhì)原理上探究2種接頭耐腐蝕性差別的原因，從微觀組織的角度進行觀察、分析。TIG和FSW焊接頭的熱影響區(qū)由于在焊接過程中受到熱循環(huán)的作用，均會出現(xiàn)晶粒尺寸變大、第二相尺寸變大的問題。根據(jù)前期研究可知[19]，相較于小尺寸的第二相來說，大尺寸的第二相使材料的耐蝕性降低得更為明顯，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)的耐蝕性變差。由于FSW屬于固相焊，熱循環(huán)峰值溫度相比TIG焊的更低，因此FSW接頭熱影響區(qū)第二相尺寸的變化沒有TIG焊的大，通過對比觀察圖2、圖4也可以發(fā)現(xiàn)，TIG焊接頭的熱影響區(qū)存在更多、更大的第二相顆粒，這是導(dǎo)致TIG焊熱影響區(qū)的耐蝕性稍弱于FSW熱影響區(qū)耐蝕性的主要原因。

3 結(jié)論

采用鹽霧腐蝕試驗、電化學(xué)腐蝕試驗對比分析了2219和2195鋁合金FSW和TIG焊接頭耐腐蝕性的差異，得出以下結(jié)論。

1）2219和2195鋁合金TIG焊接頭比FSW接頭在鹽霧腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率大，且TIG焊接頭耐腐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、焊縫區(qū)的順序依次增加；FSW接頭耐蝕性按照熱影響區(qū)、母材區(qū)、熱機影響區(qū)、焊核區(qū)的順序依次增加。

2）經(jīng)過240 h鹽霧腐蝕后，2219和2195鋁合金的FSW和TIG焊接頭中均是熱影響區(qū)腐蝕最嚴重，均出現(xiàn)了晶間腐蝕的現(xiàn)象，且同種鋁合金2種接頭的熱影響區(qū)耐蝕性相差不大，并且在相同的焊接方式下2種合金的整體耐蝕性差別不大。

3）2219和2195鋁合金TIG焊接頭熱影響區(qū)自腐蝕電位分別為–0.653 V和–0.667 V，腐蝕電流密度分別為7.35 mA/cm2和7.55 mA/cm2，與其他區(qū)域相比，熱影響區(qū)的腐蝕傾向最大且腐蝕速率最快，這與鹽霧腐蝕試驗結(jié)果相一致。

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Difference of Corrosion Behavior between 2219 and 2195 Aluminum Alloy Welded Joints

TANG Hua-wei1,2, DENG Yun-fa3, QIAN Shuai-hao3, ZHANG Ti-ming3, CHEN Yu-hua3

(1. School of Material Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China; 2. Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing, Shanghai 200245, China; 3. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The work aims to study the difference of corrosion resistance between 2195 Al-Li alloy friction stir welded (FSW) joints and fusion welded joints and the traditional 2219 aluminum alloy welded joints, and thus to reveal the evolution law of corrosion resistance and provide theoretical guidance for tank manufacturing and surface protection. The salt spray corrosion test and potentiodynamic polarization curve test were conducted to analyze properties of 2195 Al-Li alloy welded joint in terms of corrosion potential, corrosion current density, corrosion rate, etc. to judge the differences of corrosion resistance between new and traditional aluminum alloys. The results showed that corrosion resistance of two aluminum alloy welded joints had the same change rule. The corrosion resistance of friction stir welded joint increased in the order of heat affected zone (HAZ), base metal (BM), thermo-mechanical affected zone (TMAZ), weld nugget zone (WNZ), while that of TIG welded joint increased in the order of HAZ, BM and weld zone (WZ). The phenomenon of intergranular corrosion existed in HAZ. In addition, the self-corrosion potential of TIG welded joints in 2219 and 2195 aluminum alloys was ?0.653 V and ?0.667 V, respectively, and the corrosion current density was 7.35 mA/cm2and 7.55 mA/cm2, respectively. The conclusions illustrate that the corrosion resistance of FSW and TIG welded joints of 2219 and 2195 aluminum alloys was little different, and their corrosion resistance was the worst in HAZ. The corrosion resistance of TIG welded joints was worse than FSW joints in the same aluminum alloy.

aluminum alloy; friction stir welding; tungsten inert gas welding; corrosion

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.016

TG172

A

1674-6457(2022)08-0111-07

2022–01–04

國家自然科學(xué)基金（52165049）；江西省自然科學(xué)基金（20202BABL214031）；上海航天科技創(chuàng)新基金（SAST2019–062）；航空基金（2020Z048056002）

湯化偉（1985—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為攪拌摩擦焊。

陳玉華（1979—），男，博士，教授，主要研究方向為先進材料連接技術(shù)。

責任編輯：蔣紅晨