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摘要：攪拌摩擦焊接(FSW)技術(shù)由于其固相焊接特征，在焊接鋁合金方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著鋁合金FSW接頭在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，其腐蝕疲勞性能成為人們的關(guān)注重點(diǎn)。綜合評(píng)述了鋁合金FSW接頭腐蝕疲勞的最新研究進(jìn)展，介紹了鋁合金FSW接頭腐蝕疲勞研究的必要性及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鋁合金；攪拌摩擦焊；腐蝕疲勞

攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)相比傳統(tǒng)的熔焊方法而言，具有固相焊接的特征，接頭的形成是通過(guò)攪拌工具與待焊工件的摩擦熱和塑性變形熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。該焊接過(guò)程綠色環(huán)保，接頭質(zhì)量高，無(wú)夾渣、氣孔、未焊透等熔焊缺陷，且焊后殘余應(yīng)力小，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良[2]。在焊接輕質(zhì)合金方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是鋁合金。目前鋁合金攪拌摩擦焊構(gòu)件已經(jīng)應(yīng)用在航空航天、船舶交通等各工業(yè)領(lǐng)域[3]。

攪拌摩擦焊接頭通?？煞譃樗膫€(gè)區(qū)域：焊核區(qū)(Stir zone,SZ)、熱力影響區(qū)(Thermal mechanical affected zone, TMAZ)、熱影響區(qū)(Heat affected zone, HAZ)和母材(Base metal, BM)，各個(gè)區(qū)域的顯微組織和微區(qū)力學(xué)性能差異較大，因此接頭的腐蝕行為與母材的差異較大[3]。近些年國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁合金FSW接頭腐蝕行為及腐蝕機(jī)制的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，本文作者評(píng)述了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁合金攪拌摩擦焊接接頭腐蝕疲勞過(guò)程中裂紋萌生機(jī)制、擴(kuò)展機(jī)制、腐蝕介質(zhì)影響因素等，為今后鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕疲勞研究提供參考。

1、鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕原因及特點(diǎn)

鋁合金攪拌摩擦焊接過(guò)程中接頭各個(gè)區(qū)域所經(jīng)歷的熱循環(huán)和力的作用與熔焊過(guò)程不同，因此FSW接頭各個(gè)區(qū)域的顯微組織演變與熔焊接頭存在明顯差異，接頭腐蝕行為和腐蝕機(jī)制也存在明顯差異。此外，F(xiàn)SW過(guò)程的溫度低于母材熔點(diǎn)，將不易出現(xiàn)強(qiáng)化相偏析聚集形成的“貧銅”現(xiàn)象。Cao等人[4]針對(duì)2219-T87鋁合金的FSW接頭強(qiáng)化相演變進(jìn)行研究，并與用2319焊絲的熔化極氣體保護(hù)焊接頭作了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，接頭沉淀相θ在兩種焊接接頭中的塊狀聚集現(xiàn)象呈現(xiàn)出不同特征，以此提出了通過(guò)θ相來(lái)表征接頭中的共晶化合物在焊接過(guò)程中是否因?yàn)楹附訙囟鹊母叩瓦_(dá)到共晶溫度而成為液化損傷的起源。

FSW接頭各個(gè)區(qū)域經(jīng)歷的熱和力的作用不相同，各個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)的腐蝕行為存在差異。FSW過(guò)程中鋁合金表面的包鋁層將會(huì)被攪拌頭破壞形成碎片彌散分布在接頭內(nèi)部，使得接頭失去保護(hù)[5]。FSW接頭不同區(qū)域之間顯微組織的不同將會(huì)形成局部電偶腐蝕，且由于FSW焊后接頭內(nèi)部存在殘余壓應(yīng)力，而會(huì)造成應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象[6]。鋁合金FSW接頭的腐蝕行為及特點(diǎn)通常通過(guò)浸泡試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕來(lái)解釋。Bousquet等人[7]針對(duì)2024鋁合金FSW接頭進(jìn)行了晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靠近TMAZ的HAZ在焊接過(guò)程中晶間化合物粗大、沉淀相細(xì)小，且處于硬度弱區(qū)，故該區(qū)域最易發(fā)生點(diǎn)蝕和晶間腐蝕。欒國(guó)紅等人[8]研究了7075高強(qiáng)鋁合金FSW焊縫表面在中性鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)晶粒和第二相粒子細(xì)化，但第二相粒子在接頭各個(gè)區(qū)域分布不均勻，母材不經(jīng)歷攪拌焊作用，其表面的包鋁層可以保護(hù)母材免受腐蝕，因此焊縫區(qū)的耐蝕性低于母材的，隨著鹽霧試驗(yàn)的延長(zhǎng)，焊縫腐蝕從局部點(diǎn)蝕演化為晶界腐蝕、最終為剝落腐蝕。

綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁合金FSW接頭耐蝕性的研究現(xiàn)狀，鋁合金FSW接頭腐蝕機(jī)制分為：①鋁合金FSW接頭第二相粒子中Mg和Li活潑元素較多時(shí)，例如Al-Li合金，其相對(duì)周圍鋁合金基體電位較低，自身優(yōu)先遭受腐蝕介質(zhì)攻擊而發(fā)生陽(yáng)極溶解[9]；②FSW接頭中富Cu等不活潑元素構(gòu)成第二相粒子時(shí)，如Al-Cu合金，該第二相相比鋁合金接頭基體電位較高不易被腐蝕，使得該第二相粒子邊緣基體優(yōu)先被腐蝕[10]；③同時(shí)包含富Cu和富Mg、Li元素的第二相粒子的鋁合金FSW接頭，如Al-Cu-Mg合金，活潑元素選擇優(yōu)先被腐蝕溶解，致使不活潑元素富集，從而使第二相粒子和鋁合金FSW接頭基體的電位發(fā)生改變，進(jìn)而改變局部腐蝕機(jī)制[11]；④鋁合金FSW接頭各個(gè)區(qū)域顯微組織存在差異，以2024鋁合金FSW接頭為例，焊核區(qū)經(jīng)歷了較高的溫度和塑性流動(dòng)，其晶粒呈細(xì)小的等軸晶，且大角度晶界比例高，而TMAZ和HAZ經(jīng)歷了較低的溫度使得回復(fù)占主導(dǎo)，使得大角度晶界比例分?jǐn)?shù)與母材相當(dāng)，TMAZ晶粒變形較大，HAZ晶粒稍長(zhǎng)大，母材保持原始的軋制狀態(tài)[12]。

2、鋁合金攪拌摩擦焊接頭腐蝕疲勞行為及特點(diǎn)

腐蝕疲勞(Corrosion fatigue, CF)是指材料承受著交變載荷的作用且同時(shí)處于特定的腐蝕介質(zhì)中，在兩種工況的協(xié)同作用下構(gòu)件疲勞性能顯著降低，構(gòu)件發(fā)生疲勞損傷產(chǎn)生脆性斷裂腐蝕形態(tài)的現(xiàn)象。腐蝕疲勞是在疲勞載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的。在鋁合金FSW構(gòu)件服役過(guò)程中，不可避免地會(huì)處于腐蝕環(huán)境和疲勞載荷的共同作用，因此構(gòu)成了腐蝕疲勞的普遍性。

Pao等人[13]研究了高強(qiáng)鋁合金7075-T7451 FSW接頭在應(yīng)力比R=0.1時(shí)的腐蝕疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)：FSW接頭各個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)的腐蝕疲勞性能差異明顯，由于高裂紋閉合效應(yīng)使得HAZ的疲勞裂紋擴(kuò)展速率低于BM和SZ的，但其應(yīng)力腐蝕斷裂門檻值較高；在空氣中SZ的疲勞裂紋擴(kuò)展速率略高于BM的；當(dāng)試驗(yàn)選定的應(yīng)力強(qiáng)度水平較高時(shí)，SZ和HAZ的腐蝕疲勞擴(kuò)展速率是空氣中疲勞試驗(yàn)的2倍，由于不同區(qū)域的顯微組織存在差異，BM和HAZ表現(xiàn)出穿晶斷裂的特征，主要是由于這兩個(gè)區(qū)域晶界敏感程度高，SZ由于其顯微組織為細(xì)小的等軸晶粒，呈現(xiàn)沿晶斷裂特征。Czechowski等人[14]研究了5083-H321形變強(qiáng)化鋁合金在3.5%NaCl腐蝕溶液中的疲勞性能，結(jié)果表明：FSW接頭在3.5%NaCl腐蝕溶液中裂紋萌生點(diǎn)較空氣中增多，且溶液中的陽(yáng)極溶解和氫溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展加速，因此腐蝕疲勞壽命被大大縮短。Rodriguez等人[15]研究了6061和7050鋁合金異質(zhì)焊FSW接頭在3.5%NaCl溶液中預(yù)腐蝕之后的疲勞行為，研究表明：局部腐蝕首先出現(xiàn)在HAZ和TMAZ處，接頭腐蝕疲勞裂紋萌生處即局部腐蝕出現(xiàn)處，且在高應(yīng)變幅值下(>0.3%)裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)在6061鋁合金一側(cè)，低應(yīng)變幅值下(<0.2%)裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)在7050鋁合金一側(cè)，主要是由于腐蝕缺陷處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。Fonda等人[16]研究了5456-H116鋁合金FSW接頭不同區(qū)域的腐蝕疲勞行為，結(jié)果表明：HAZ表現(xiàn)出高于BM和SZ的腐蝕疲勞門檻應(yīng)力值和較低的裂紋擴(kuò)展速率，該研究結(jié)果與Pao等人[13]的一致。

綜上所述，鋁合金FSW接頭的腐蝕疲勞行為主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)：①接頭顯微組織，鋁合金FSW接頭不同區(qū)域由于其顯微組織存在差異會(huì)導(dǎo)致不同的腐蝕特征；②焊后殘余應(yīng)力，F(xiàn)SW接頭焊后殘余拉應(yīng)力會(huì)增加腐蝕疲勞的裂紋擴(kuò)展速率；③腐蝕環(huán)境，包括腐蝕介質(zhì)、腐蝕溫度等，腐蝕環(huán)境通過(guò)點(diǎn)蝕、氫脆、吸附作用等加速鋁合金FSW結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的形成，目前鋁合金FSW構(gòu)件通常是以點(diǎn)蝕形成的腐蝕坑作為腐蝕疲勞的裂紋源。

3、結(jié)束語(yǔ)

鋁合金FSW結(jié)構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其服役過(guò)程中會(huì)遭受腐蝕介質(zhì)和載荷的共同作用，因此開(kāi)展鋁合金FSW腐蝕疲勞研究意義重大。有必要深入開(kāi)展鋁合金FSW接頭腐蝕疲勞性能的研究，綜合所查閱的文獻(xiàn)，應(yīng)從以下兩個(gè)方面開(kāi)展研究：

1)深入研究鋁合金FSW接頭顯微組織和腐蝕疲勞的相關(guān)性，包括焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭腐蝕疲勞的影響規(guī)律，用以指導(dǎo)實(shí)際工程。

2)結(jié)合鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能和腐蝕疲勞行為，進(jìn)行焊接冷卻方式、攪拌頭設(shè)計(jì)、焊后熱處理等研究，提高接頭的綜合性能。