高强铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀防护研究进展

摘要：搅拌摩擦焊被广泛应用于航空航天等重要工业领域的高强铝合金结构件的连接，由于高强铝合金接头的抗腐蚀性能较差，限制了其进一步的应用，实际应用中必须对接头进行腐蚀防护。文中详细综述了目前高强铝合金搅拌摩擦焊接头的四种腐蚀防护方法：降低热量输入、焊后热处理、表面改性和喷涂涂层，指出了高强铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀防护今后的研究方向。 关键词：搅拌摩擦焊；高强铝合金；腐蚀防护 中图分类号：TGl74.4

0.前言

搅拌摩擦焊作为一种优质、高效、环保的固相连接方法，可以避免熔化焊接过程中产生的气孔、裂纹、偏析等缺陷，有效提高接头的力学性能。基于此，搅拌摩擦焊（FSW）现己被广泛用于航空、航天、船舶、陆路交通等重要领域的高强铝合金结构件（如机身壁板、船体甲板等）的焊接。有些焊接结构件长期在恶劣的腐蚀环境下服役，接头抗腐蚀性是评价其使用性能的重要指标之一。然而，大量的研究表明高强铝合金搅拌摩擦焊接头的抗腐蚀性能较差。究其原因，在铝合金板材轧制过程中通常会在合金上下表面包覆纯铝使其形成50-100um的包铝层来防止合金遭受腐蚀，但在搅拌摩擦焊过程中，剧烈的机械搅拌作用将使高强铝合金的包铝层完全破坏，导致接头失去腐蚀保护。此外，焊后在接头中还会存在残余拉应力，影响接头的服役性能，尤其是会降低其腐蚀性能和疲劳性能。因此，在实际工业应用中必须对这些接头进行防腐处理以提高其服役寿命。

部分学者针对铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为进行了大量研究，试图找出最佳的腐蚀防护方法并揭示其机理。相关研究表明，降低焊接过程热输入、焊后热处理、表面改性（如激光表面熔化、微弧氧化）以及喷涂方法（如热喷涂、冷喷涂）制备的防护涂层均能一定程度上改善接头的抗腐蚀性能，但在实际工业应用中，尚存在一定的问题与挑战。

1.提高搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法

1.1降低焊接过程热输入

相关研究表明，一方面，改变搅拌头尺寸，调整焊接工艺参数可在一定程度上减小焊接热输入，从而减小腐蚀敏感区范围；另一方面，在焊接过程中，采用循环水冷却、水雾冷却或低温冷却等方法也可有效减小腐蚀敏感区范围。控制焊接接头的热输入状态，可以改善接头的显微组织，一定程度上可以提高焊接接头的耐蚀性能。

Esmaily等人对AA6005-T6铝合金采用液氮冷却的搅拌摩擦加工技术（FSP）在其焊核区（SZ）形成了超细晶，并对比了传统的空冷FSP对SZ腐蚀性能的影响。得出了AA6005-T6接头在相对湿度95%、温度22°C的0.04%C02和70ug/cm2NaCl溶液中浸泡40天后的重量损失和点蚀情况，对比结果如图1所示。由于液氮冷却的FSP接头晶粒被细化，所以其抗腐蚀性能优于传统空冷的接头。然而，接头残余应力以及晶粒大小梯度的存在，使得降低接头热输入这一措施并不能完全避免接头遭受腐蚀的危害。

1.2焊后热处理

焊后热处理是常用的提高搅拌摩擦焊接头耐蚀性的方法，由于焊缝的沉淀相、金属间化合物及其它微量元素对接头的耐蚀性影响较大，焊后对接头组织进行匀质化处理可以显著提高接头的耐蚀性。Paglia等人研究发现，对高强铝合金搅拌摩擦焊接头在250-450°C温度范围内进行短时间焊后热处理可以降低接头组织对腐蚀的敏感性，从而提高接头的耐蚀性。另外，高强铝合金的腐蚀性能通常取决于母材与焊核区之问的“最薄弱区域”，采用火焰热处理对AA7075-T651铝合金和AA2219-T87铝合金搅拌摩擦焊焊缝“最薄弱区域”进行了局部热处理。试验结果表明，经热处理后，搅拌摩擦焊接头的显微组织更加均匀，抗腐蚀性能得到显著提高。图2比较了焊接态AA7075-O和热处理态T745 1的搅拌摩擦焊接头在NaCl和H2O2混合溶液中浸泡30min后的接头横截面腐蚀形貌，对比发现热处理之后接头横截面白色腐蚀产物明显减少，腐蚀程度降低。然而，通过这种方法得到的耐蚀性的提高往往伴随着力学性能的下降，此外，热处理耗时较长并且不能处理尺寸较大的结构件。

1.3表面改性

1.3.1激光表面熔化

激光表面熔化速度高、能量密度大，可以在材料表面形成一幼橹细化并且均匀的微层结构，该技术能选择性地处理工件表面，有利于在工件整体保持足够的韧性和强度的同时，达到改善材料抗腐蚀性能的目的。

Kalita对AA2024-T35 1铝合金搅拌摩擦焊接头进行激光表面熔化处理，发现搅拌摩擦焊表层组织发生了均匀化和细化，其沉淀相及金属间化合物完全溶解，接头表面的点蚀形核门槛值提高。浸泡试验结果表明经激光处理后的表面未出现点蚀（a区域），未经处理的表面出现了较大的点蚀坑（b区域），如图3所示。然而，激光熔化过程的热影响会导致不同区域的金属离子发生溶解或富集，在激光扫描轨道边缘发现Cu元素的富集和Al元素含量的降低。

激光表面处理虽然可以消除焊缝内部的沉淀相从而提升接头抗蚀性，但这种技术引起的元素富集将促进局部的微电化学反应从而导致近焊缝表面层发生腐蚀分层。Padovani等人。采用激光熔凝法分别对AA7449-T7951、AA2024-T351高强铝合金搅拌摩擦焊接头进行腐蚀防护，浸泡试验表明接头表面抗点蚀性能提高，而近焊缝表面层（热影响区和焊核区）发生腐蚀分层，降低了激光处理对接头的腐蚀性能改善效果。

1.3.2微弧氧化

微弧氧化对搅拌摩擦焊接头的表面防护是将接头置于电解质水溶液中，在高压条件下发生等离子体增强的电化学反应，在热化学氧化、等离子体氧化和电化学氧化的共同作用下生成陶瓷层。该方法改善了焊接接头的耐磨、耐蚀、耐热冲击性能，在航空、航天、机械、电子等领域有广泛的应用潜力。

鲁亮等人采用微弧氧化技术在AA5083铝合金搅拌摩擦焊接头表面制备了陶瓷层，浸泡测试表明微弧氧化层陶瓷层未出现点蚀，表面仍然致密，可以有效的对搅拌摩擦焊接头进行腐蚀防护。刘靖采用微弧氧化技术对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行处理，并对其微弧氧化膜层腐蚀性能及力学性能进行了测试与分析。结果表明，通过微弧氧化技术在搅拌摩擦焊接头表面制备了具有陶瓷性质的氧化膜能将焊缝与腐蚀介质隔绝而提供腐蚀防护，在中性盐雾试验中，微弧氧化后焊接接头的耐腐蚀性能较未经微弧氧化处理的焊接接头的耐腐蚀性能有很大提高；在应力腐蚀试验中，微弧氧化制备的陶瓷层在应力腐蚀初期没有观察到腐蚀现象，即该陶瓷层能够在应力腐蚀初期对腐蚀液起到隔离作用，但在焊接接头却发现了龟裂纹，即微弧氧化制备的陶瓷层不能完全阻止应力腐蚀的发生；在拉伸试验中，经微弧氧化处理的焊接接头的抗拉强度小于未经处理的焊接接头，如图4所示，对基体力学性能产生了一定的负面影响。微弧氧化技术还存在一些不足：生产过程中电解液消耗快，电解液冷却困难，消耗功率大，且有噪音，对于高电压还需要有漏电防护措施等；由于电解槽尺寸的限制，较难用于大型构件的腐蚀防护。

1.4喷涂涂层

1.4.1热喷涂涂层

自20世纪30年代，热喷涂技术在防腐方面成功应用以来，在腐蚀和防护领域里发挥着越来越大的作用，目前应用于防腐的热喷涂技术主要有火焰喷涂和电弧喷涂两种，它们对基体的保护主要基于物理隔离和电化学保护双重作用。根据目前对涂层防护技术的研究，热喷涂制备的防护涂层能显著提高基体的抗腐蚀性能，但其与基体结合强度较低，气孔率较高，需后处理（如封孔处理）。应用合理的工艺手段，减少涂层表面及内在的孔洞，隔离基体与腐蚀介质，从而增强涂层的耐蚀性能，一般采用机械加工和热处理的方式降低涂层的孔隙率。目前，热喷涂技术制备的涂层主要应用在合金表面的腐蚀防护领域，其在搅拌摩擦焊接头的腐蚀防护应用较少。

竹本斡男采用火焰喷涂技术在钢柱表面制备了Zn-13A1涂层，经过7年的海洋环境暴露腐蚀发现，封孔处理的涂层对基体的防护效果较好。Pardo等人测试分析了热喷涂纯铝涂层对镁铝合金在3.5%NaCl溶液进行腐蚀保护的效果，结果表明，热喷涂纯铝涂层孔隙率高，防护效果较差。针对这一问题，对铝涂层进行冷压后处理，发现涂层与基体的结合力增加，涂层孔隙率降低，增强了基体的抗腐蚀性能。图5为在3.5%NaCl溶液中浸泡10天后，AZ31镁铝合金横截面无涂层、热喷铝涂层、热喷铝涂层冷压处理后的背散射扫描电镜形貌，可以看出，冷压处理降低了热喷涂涂层的孔隙率，基体的抗腐蚀性能得到了显著的改善。

1.4.2冷喷涂涂层

冷喷涂作为热喷涂技术的重要拓展，利用高压气流加速粉末颗粒，通过固态颗粒的高速碰撞以及大的塑性变形，可以在基体表面形成致密涂层。随着冷喷涂技术的进步，推动了冷喷涂设备的研究与开发，促进了冷喷涂涂层应用的研究，较之热喷涂制备的防腐涂层存在孔隙率高、易氧化、热应力大等缺陷，冷喷涂防腐涂层孔隙率低，残余应力小且以压应力为主，并且可以避免诸如氧化、相变等缺陷，其制备技术及其防腐性能越来越受到关注。

目前，己有科研机构利用冷喷涂技术制备各种防腐涂层（主要为铝基和锌基涂层），对涂层的表面组织形貌、孔隙率、物相分析、结合强度、显微硬度、耐磨性、沉积率及电化学性能等开展了全面的研究分析，研究表明，冷喷涂制备的铝及铝基复合材料涂层具有良好的腐蚀防护效果。目前Trahan和李文亚团队对其进行了研究。Trahan采用冷喷涂制备AA7075、AA5083铝合金及纯铝涂层对AA7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行防腐保护，试验结果表明冷喷涂制备的纯铝涂层对搅拌摩擦焊接头的腐蚀保护效果最佳，并在2013年国际热喷涂大会上对该内容做了相关研究报告。李文亚等人采用冷喷涂技术在AA2024铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面制备了纯铝涂层，结果表明涂层不仅显著地提高了接头的抗腐蚀性能，还改善了接头的拉伸性能，抗拉强度提高了6.78%，断后伸长率提高了58.4%，疲劳性能也明显提高，如图6所示。

2.总结与展望

搅拌摩擦焊的出现对连接技术的发展产生了巨大的推动作用，而高强铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性较差，当前的防护方法存在一定局限性，限制了其在搅拌摩擦焊接头腐蚀防护领域的进一步应用。因此探寻满足搅拌摩擦焊接头使用性能和相应防护性能的工艺技术是急需解决的问题。文中详述了高强铝合金搅拌摩擦焊接头的几种腐蚀防护方法：降低热输入、焊后热处理、表面改性（激光熔化、微弧氧化等）、喷涂涂层（热喷涂、冷喷涂）。前两种方法可以改善接头的耐蚀性，但由于接头残余应力的存在、包铝层的损失以及热处理后增加的显微组织梯度，不能完全避免接头腐蚀的产生。后两种腐蚀防护方法可以为搅拌摩擦焊接头提供良好的防护效果，但也存在不足，例如，激光熔化会造成表面分层和元素浓度差异大，微弧氧化层的制备需要后处理，并且会导致接头力学性能的下降等。

热喷涂涂层经后处理之后可以为搅拌摩擦焊接头提供良好的腐蚀防护效果，但热喷涂过程中产生较多的热量输入可导致接头变形和残余应力的产生，冷喷涂的出现解决了之前防护方法存在的问题，是今后搅拌摩擦焊接头防护的新方向。冷喷涂涂层与基体结合强度高，孔隙率低，残余应力小，改善了接头的力学性能和组织性能，并且具有良好的腐蚀防护效果。然而，冷喷涂改善接头力学性能的机制尚不清楚，基于目前冷喷涂技术及其涂层对搅拌摩擦焊接头防腐的研究，如果能揭示冷喷涂工艺对高强铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响律及强韧化的主导机制，将有望采用冷喷涂制备搅拌摩擦焊接头防腐涂层，通过控制工艺参数（例如驱动气体温度、粒子速度和喷射距离），获得基于冷喷涂腐蚀防护的高强铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能的调控方法。