张 普，袁鸽成，秦典成，袁 潜，骆志捷

广东工业大学材料与能源学院，广东 广州 510006

由于6005A铝合金挤压型材板具有密度小、比强度高、塑性好等优点，使其在轨道交通中得到了广泛应用[1-2]，但由于其尺寸受挤压机吨位的限制，不能直接挤压出适用于铝合金车体的宽板，因此，需要一种可靠的焊接技术将铝合金挤压型材板进行拼接.

采用固相焊接的搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding, FSW)可避免熔化焊的缺陷，其焊缝性能优于熔化焊.目前，对6005A铝合金搅拌摩擦焊的研究主要涉及焊接工艺及焊缝力学性能方面，对其剥落腐蚀行为的研究则鲜有报道[3-5]，而剥落腐蚀是铝合金挤压型材常见的腐蚀形式，这种腐蚀若在铝合金车体上发生将引发严重的安全事故[6].本文对6005A铝合金搅拌摩擦焊缝的剥蚀行为进行了研究，为如何提高6005A铝合金车体的耐剥蚀性能提供科学依据.

1 实验方法

对6005A-T6铝合金型材沿挤压方向进行搅拌摩擦焊接，型材板厚为5 mm.焊接所用搅拌头轴肩直径为18 mm，搅拌针直径为7 mm，针长为4.8 mm.焊接速度为118 mm/min，搅拌针转速为1180 r/min，倾角为3°，下压量为0.1 mm.焊接完成后用线切割机沿垂直于焊缝方向截取四个长10 mm，宽30 mm，带部分母材的焊缝样品，从母材上也截取四个长10mm，宽20mm的样品，用以制备金相试样及剥落腐蚀试样.将样品表面逐级采用由粗至细的砂纸打磨至无明显划痕，然后进行电解抛光至样品表面无划痕后进行阳极复膜，制得金相试样.采用MJ42倒置式金相显微镜对试样进行偏光观察并拍摄金相照片.将金相试样按照上述制样方法重新打磨后，用混合酸溶液腐蚀一定时间，清洗干燥后置于Hitachi S-3400N扫描电子显微镜(SEM)下观察第二相的分布.剥落腐蚀试样的制备方法是先用砂纸打磨至无明显划痕后，再用酒精清洗实验面，然后按照国家标准GB/T22639-2008的方法对试样进行剥落腐蚀试验[7]，实验完成后取出样品进行清洗，在SEM下观察腐蚀形貌.在德国Im6电化学工作站上采用三电极系统测量腐蚀后样品的电化学阻抗谱(EIS)，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极，试样为工作电极.试样的有效暴露面积为1 cm2，其它部分用树脂封装，扫描的频率范围为10 kHz～10 mHz，正弦波激励信号幅值为±10 mV，扫描步长为8.

2 实验结果及分析

2.1 腐蚀形貌

在腐蚀实验过程中，观察到母材与腐蚀液产生的气泡比焊缝的多，说明腐蚀液对母材的腐蚀要比焊缝剧烈.图1为腐蚀试验前后样品的宏观形貌.图1(a)为未腐蚀的样品，图1(b)为腐蚀48 h后，焊缝与母材的宏观形貌，从图1(b)可见，腐蚀后焊缝与焊缝母材区出现了明显的分界线，焊缝表面的腐蚀程度低于母材，宏观表现为焊缝更为光亮和平整，而母材表面则有较多肉眼可见的点蚀孔.图1(b)中箭头所指处为发生剥落及起层的区域，按照GB/T22639-2008的评定标准，焊缝的腐蚀等级评定为PB，母材的腐蚀等级评定为EA[7].

图1 焊缝与母材宏观腐蚀形貌

在完成剥落腐蚀评级后，对样品进行了扫描电子显微镜观察，结果如图2所示.由图2可以看到，在焊缝发生的是全面的点蚀，而母材发生的是典型的晶间腐蚀.焊缝表面腐蚀均匀，腐蚀坑较浅，而母材发生的晶间腐蚀坑较深穿入了金属内部，并且晶内也有点蚀的迹象，但程度明显弱于焊缝.

图2 剥落腐蚀实验后焊缝与母材表面的SEM形貌，500×

2.2 阻抗谱分析

图3为腐蚀实验后焊缝与母材的电化学阻抗谱的Nyquist图，由图3可见，母材与焊缝的阻抗谱图都由一个高频容抗弧和中-低频感抗弧组成.容抗弧表明该电极过程为电化学步骤控制，高频容抗弧的直径反映了电荷的传递电阻(Rt)，直径越大，电荷转移的阻力越大，即腐蚀过程受到抑制的程度越大.图3中焊缝的容抗弧的直径大于母材的，说明焊缝的耐腐蚀性强于母材. Keddam等人[8]认为，中-低频感抗弧是由于氧化膜的溶解对材料的保护性减弱而产生的，与Cl-的吸附相关，感抗弧半径的大小反映了表面发生破坏的倾向性，半径越大，表明被破坏的倾向性越大，从图3可见，母材的感抗弧半径大于焊缝的，说明母材表面被腐蚀破坏的倾向性大于焊缝的.当被腐蚀破坏的面积与原始表面积达到一定的比值时，感抗弧消失，最终出现两个容抗弧.由两个容抗弧出现的先后可以判定材料的腐蚀敏感性，并且两个容抗弧区分得越明显说明腐蚀的程度越严重[9].

图3 焊缝与母材剥落腐蚀实验后电化学阻抗谱图

Fig.3The Electrochemical impedance spectroscopy diagram of joint and base material after the exfoliation corrosion experiment

2.3 腐蚀机理

剥落腐蚀是一种危害性很大的局部腐蚀形式，一旦发生会引起材料的强度和塑性的大幅度下降.剥落腐蚀一般是按点蚀、晶间腐蚀及剥蚀的过程进行的.众多学者认为，高度定向的组织是铝合金发生剥蚀的必要条件之一，而由晶界电偶腐蚀形成的腐蚀通道是另一重要条件[10].当材料被挤压或轧制后，始态晶粒严重变形，形成了平行于材料表面的细长晶粒.6005A铝合金的主要合金元素为Mg和Si，在挤压过程中容易在晶界处产生析出相(主要是Mg2Si相)，析出相在挤压过程中形成了平行于表面的晶粒层状分布；由于Mg2Si的电位低于Al基体从而形成电偶腐蚀效应，析出相作为阳极被腐蚀溶解[11],当析出相在晶界呈连续状分布时，腐蚀溶解会一直沿着晶界进行，当生成的腐蚀产物的体积大于腐蚀所消耗的金属的体积时，会对晶粒产生外推力即“楔入效应”，最终使晶粒从材料表面脱落.晶粒被拉得越长，产生的外推力就越大，发生剥落腐蚀的倾向也就越大[12].

图4 焊缝与母材的金相组织

图4为焊缝与母材区的金相组织.由图4可见，母材区的晶粒为带状，焊缝区的晶粒细小且呈现等轴状.铝合金型材经搅拌摩擦焊后焊缝处的材料经历了剧塑性变形，材料发生了动态再结晶后由长条形晶粒转变成了等轴状的细小晶粒，使晶粒的长宽比从10左右趋于等轴.晶粒细化后材料的表面变得致密，从而提高了材料的耐剥落腐蚀性能.

图5为母材与焊缝的第二相对比图，图5(a)中箭头所指的白色颗粒为母材的第二相组织，主要是Mg2Si.由于第二相与基体间存在电位差从而构成了微电偶腐蚀效应，第二相作为原电池的阳极被溶解.母材中第二相沿晶界呈连续分布，使得晶界成为活性的阳极腐蚀通道[13]，在“楔入效应”的作用下，晶间腐蚀倾向于沿平行于材料表面的晶界发展，并最终发生剥落腐蚀.在这一过程中，晶内基体作为阴极在一定程度上得到了保护，这与前面所观察到的母材的剥落腐蚀是沿晶界进行的晶间腐蚀完全吻合.当铝合金型材经搅拌摩擦焊后，经历了高温下的剧塑性变形，使母材中的第二相粒子发生固溶，最终以过饱和固溶体的形式均匀地分布在晶界与晶内，这使得合金的耐腐蚀性能得到了提高，因此，焊缝只发生了均匀的点蚀.

图5 焊缝与母材的第二相分布图

3 结 论

(1)剥落腐蚀过程中母材发生了严重的晶间腐蚀，母材表面的局部出现了剥落，而焊缝的腐蚀为均匀的点蚀.电化学阻抗谱图说明焊缝区在腐蚀过程中电荷转移的阻力大且被腐蚀破坏的倾向性小，表明焊缝的耐剥蚀性比母材强.

(2)在焊缝区发生的第二相固溶使其均匀分布，减弱了微电偶腐蚀效应，并且在焊缝区发生的动态再结晶，使带状晶粒转变成细小的等轴晶粒，令腐蚀产物的外推力减弱.这是焊缝的耐剥蚀性能比母材高的主要原因.

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