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[防腐设计] 6005A铝合金搅拌摩擦焊接头耐腐蚀性能

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查看8 | 回复0 | 2020-2-14 08:47:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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6005A铝合金搅拌摩擦焊接头耐腐蚀性能

祁艺洋,沈长斌,许鸿吉
(大连交通大学 材料科学与工程学院,辽宁 大连 116028)
【中国汽车材料网】摘 要:为了研究高速列车车体用T6时效6005A铝合金型材的搅拌摩擦焊接头耐工业性环境及海洋性气候腐蚀的性能.通过人造气氛腐蚀试验盐雾试验方法(GB/T10125-2012)、金属和合金的腐蚀电化学试验方法恒电位和动电位极化测量导则(GB/T24196-2009),对6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头的耐盐雾腐蚀性能及耐电化学点蚀性能进行了研究.盐雾试验搅拌摩擦焊接头腐蚀率低于母材,说明接头耐盐雾腐蚀性能更好;腐蚀后形貌保持最好的是热机影响区,其次是焊核.电化学试验搅拌摩擦焊热机影响区极化曲线在最左上方,腐蚀电流密度为3.005 μA/cm2,腐蚀电位为-682.953 mV,说明耐酸性点蚀性能最好,其次是焊核,热影响区电化学参数较差,母材最差.研究结果表明:6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头整体耐腐蚀性能优于母材,尤其是热机影响区耐蚀性能很好,但热影响区耐蚀性能差.
关键词:6005A铝合金;搅拌摩擦焊焊接接头;盐雾腐蚀;点蚀

6005与6005A均为6系可热处理强化铝合金,主要成份为Al-Mg-Si,这也是6系合金的主要强化相,因此它们的力学性能基本相当,但二者主要的区别是6005A铝合金控制了Mn和Cr的元素含量[1] ,而6005铝合金没有.①较多的Mn、Cr元素含量会抑制晶粒在挤压时以及挤压后等热加工发生再结晶或再结晶晶粒长大,从而起到细化晶粒的效果;②这两种元素含量太多则会生成以Cr为溶质的粗大第二相,抑制Mg2Si沉淀相的强化作用;③Mn、Cr元素在一定程度上会增加合金的淬火敏感性[2] .正是由于这个区别,6005A主要用于车辆薄壁,空心壁板和结构型材,工业用管材、无缝管材、棒材、型材、轨道交通用车体型材.6005用于制造挤压型材和管道等需要比6063强度更高的结构部件,如建筑幕墙.铝及合金存在很多运用上的问题,腐蚀就是其中之一.S. Oesch等人[3] 分析了Al在二氧化硫污染环境中的腐蚀产物,认为腐蚀产物为Al3(SO4)2(OH)5·9H2O以及Al2(SO4)2·16H2O.高速列车车体用的6005A结构型材,近些年在连接时常用搅拌摩擦焊,焊后接头组织和性能会产生很大的改变,加之现代工业城市污染严重,大气环境中含有酸根离子,如亚硫酸根SO32-、盐酸根Cl-、乙酸根CH3COO-等,会对合金产生严重的腐蚀,G. Husnu等人[4] 模拟了酸雨环境对6060和6082两种铝合金的腐蚀,研究了其动态电化学阻抗谱、扫描电镜形貌和原子力显微形貌,结果发现其比AA6082有更强的耐蚀性能.然而,目前对6XXX系铝合金型材的搅拌摩擦焊接头在工业、海洋酸性环境中的腐蚀还欠缺一些了解,因为诸多环境因素的变化会使材料的腐蚀规律难以捉摸.

本文研究高速列车用6005A铝合金型材在模拟酸性环境试验条件下的腐蚀行为,并探讨其腐蚀行为和腐蚀机制.


1 试验材料及试验方法

铝合金型材6005A,T6状态供货,厚度为4.5 mm,其化学成分见表1.搅拌摩擦焊的工艺参数见表2.

表1 6005A-T6铝合金化学成分%
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表2 搅拌摩擦焊工艺试验焊接参数
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根据人造气氛腐蚀试验盐雾试验方法,选用铜加速乙酸盐雾试验(CASS试验).采用连续喷雾方式,试验周期为24、72、120、240 h.分别从母材和焊缝取件,尺寸为70 mm×110 mm×3 mm,试验前去除表面氧化膜.用75 g/L的NaOH溶液室温浸泡试件30~60 s,清洗后,用15%的HNO3溶液室温浸泡试件2 min,超声波清洗,丙酮去油酒精去水干燥.非腐蚀面用704单组份室温硫化硅橡胶涂封.

根据金属和合金的腐蚀电化学试验方法,恒电位和动电位极化测量动电位极化曲线,扫描速度为0.1 V/s,全玻璃电解池,三电极系统,极化范围-1.5~1.5 V,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极,将各区加工成10 mm×10 mm×2 mm的试样并镶嵌在绝缘树脂中作为工作电极.腐蚀介质采用室温0.2 mol/L NaHSO3+0.6 mol/L NaCl混合溶液.


2 试验结果与分析
2.1 盐雾腐蚀

6005A-T6铝合金型材的母材及搅拌摩擦焊接头酸性盐雾试验失重率随腐蚀时间的变化如图1所示:试样失重均随腐蚀的进行而逐渐增加,呈现快-慢-快-慢的规律,这是因为随着腐蚀时间的延长,由腐蚀产生的氧化物等逐渐堆积在试样的表面,这使腐蚀介质越来越难接触到铝合金表面,从而产生位阻效应,阻止了腐蚀的进一步进行,其后速率的恢复推测为内部的腐蚀及膨胀使附着在表面的大块腐蚀产物皲裂,进而重新形成了腐蚀介质接触金属表面的通道;对比母材和焊接接头,发现在前120 h内,失重率的变化过程基本一致;后120 h,焊接接头的失重速率最慢,推测为腐蚀产物在金属表面的覆盖趋于稳定,能够有效阻隔腐蚀介质接触到金属表面,而母材的失重速率却没有明显减缓,推测为母材的腐蚀产物依然不稳定,一直处于增厚-脱落的状态;从图中还可以看出:与搅拌摩擦焊接头相比各试验周期母材的失重率均稍高,说明焊接接头耐蚀性优于母材.

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图1 盐雾腐蚀失重变化曲线

经各周期的腐蚀后,试样宏观照片如图2所示.6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头在腐蚀初期(24 h),热影响区和母材最先发生腐蚀,并不严重,仅为少量点蚀.随着腐蚀的继续(72 h),试样腐蚀最严重的区域在热影响区和热机影响区的交界线上,形成了成片的腐蚀坑落.腐蚀120 h后试样的热机影响区耐蚀情况仍然良好,没有出现明显的腐蚀坑,而焊核区中线以及热影响区和热机影响区的交界线侵蚀情况较严重,但相比较来说,还是母材区域耐蚀性最差,受侵蚀情况最严重.腐蚀240 h后,母材处的腐蚀坑已经发展为大片的剥落坑,两种热影响区交界线上的腐蚀坑也扩张至热机影响区里,推测如果腐蚀继续进行,那么表层光滑金属将全部脱落.从宏观结果来看,热影响区前进侧和后退侧的腐蚀情况并无明显差异.

观察腐蚀坑:腐蚀24 h产生较浅的蚀点;72 h后蚀坑加深加重,并出现呈线性条状分布的特性;120 h后,相近的小腐蚀孔洞连结成大的腐蚀坑,条状的坑在另一个维度增长;到240 h,腐蚀坑基本呈等轴状,向深发展,腐蚀坑周边外翻.条状分布的腐蚀坑对应了第二相线性分布的特性[5] ,说明第二相粒子是点蚀开始的位置;腐蚀坑周边外翻是因为当腐蚀进行了很长的时间后,表面布满厚厚的腐蚀产物,只有一些裂纹形成腐蚀介质接触基材金属的通道,而这些部位的腐蚀就非常严重,能够腐蚀到基材内部很深的位置,在基材内部腐蚀发生时腐蚀产物体积会膨胀,最终挤出表面,导致较小的腐蚀坑口周边外翻;每个腐蚀坑周围颜色较浅,而蚀坑内呈红棕色,这是因为在腐蚀环境下,铝合金中的第二相s相(A12CuMg) 和θ相(CuA12)发生了阳极溶解[6] ,铜的电位低,会加速铝和镁的溶解,从而发生了铜的富集,然后阴极吸氧腐蚀的中间产物又将铜氧化,形成Cu2O,一种红棕色的氧化物.

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(a)腐蚀24 h(b)腐蚀72 h(c)腐蚀120 h(d)腐蚀240 h
图2 盐雾腐蚀试样宏观形貌

用扫描电镜分别对酸性盐雾腐蚀后的各区域进行形貌分析,如图3:腐蚀120 h后,母材表面氧化膜较薄,基本布满腐蚀坑,焊核区大体布满氧化膜,有些区域腐蚀坑集中;热机影响区表现出较均匀的氧化膜,但堆积稍厚的地方出现龟裂纹,腐蚀产物剥落的地方有腐蚀坑.腐蚀240 h后,母材的腐蚀坑形成疏松坑落,焊核区的特定区域(如中心或两侧)分布着大型腐蚀坑,热机影响区的氧化膜厚且均匀,基本没有明显的腐蚀坑;热影响区大片基体金属剥落,受侵蚀很严重.

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a)母材30×(b)母材150×(c)焊核区30×(d)焊核区150×
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(e)热机影响区30×(f)热机影响区150×(g)热影响区30×(h)热影响区150×
图3 盐雾腐蚀后试样各区域扫描形貌
2.2 电化学腐蚀点蚀电位

由图4可以看到6005A-T6 铝合金型材搅拌摩擦焊接头的热机影响区极化曲线在焊核、热影响区与母材极化曲线的左上方,其次是焊核,热影响区,极化曲线在最右下方的是母材.在左上方的曲线说明其腐蚀电位更正,自腐蚀电流更小,体现出较小的腐蚀倾向和较慢的腐蚀速率[7] .在右下方的曲线反之.

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图4 搅拌摩擦焊接头各区域极化曲线

对6005A-T6 铝合金型材搅拌摩擦焊接头不同位置的电化学试验数据进行了分析,得出它们的腐蚀电位Ecorr和自腐蚀电流密度Icorr,如表3所示.

表3 搅拌摩擦焊不同区域的电化学参数
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腐蚀电流密度Icorr反映腐蚀速率,值越小,腐蚀速率越小;腐蚀电位Ecorr反映腐蚀倾向,腐蚀电位越高,腐蚀倾向越小.6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头在酸性腐蚀环境中耐蚀性最差的是母材,腐蚀电流密度大且腐蚀电位低,其次是热影响区,表现出易腐蚀且腐蚀速率快的性质;耐点蚀性能最好的是热机影响区,腐蚀电流密度最小,腐蚀电位最正,表现出腐蚀速率小,耐蚀倾向好,其次是焊核.搅拌摩擦焊中,铝合金部分第二相(如s相[8] )电位较低,会作为阴极增大其它部分的腐蚀倾向.但是如果这种第二相小、性能均匀,则会有较正的腐蚀电位,从而不会加速其它位置的腐蚀.而热影响区的第二相(s相)因为焊接热循环造成了较大的尺寸,且彼此的电位不同 [9] ,因此腐蚀电位负,在被腐蚀时电流密度大,腐蚀倾向也大.


3 结论

(1)盐雾腐蚀6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊接头失重率相比各试验周期母材的失重率均稍低,说明焊接接头耐蚀性优于母材;

(2)盐雾腐蚀试样形貌:热影响区和母材最先发生腐蚀腐蚀,120 h后试样的热机影响区耐蚀情况仍然良好,焊核区中线以及热影响区和热机影响区的交界线侵蚀情况较严重.综合宏观微观形貌,热机影响区腐蚀后形貌保持最好,其次是焊核;

(3)6005A-T6 铝合金板材搅拌摩擦焊电化学腐蚀试验动极化曲线对比表明:搅拌摩擦焊热机影响区极化曲线在最左上方,其次是焊核,热影响区,极化曲线在最右下方的是母材.耐点蚀性最差的是母材,其次是热影响区,耐点蚀性能最好的是热机影响区,腐蚀电流密度最小,腐蚀电位最正,表现出腐蚀速率小,耐蚀倾向好,其次是焊核.




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