Al-Cu-Li合金电子束焊接头的耐蚀性能

贲海峰，王少刚，韩小敏，黄　燕

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016）

Al-Cu-Li合金电子束焊接头的耐蚀性能

贲海峰，王少刚，韩小敏，黄燕

（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016）

研究了新型Al-Cu-Li合金电子束焊接头的晶间腐蚀和剥落腐蚀行为。利用金相显微镜观察分析接头不同区域的晶间腐蚀IGC（Intergranular Corrosion）及剥蚀EXCO（Exfoliation Corrosion）形貌，并测量其最大晶间腐蚀深度。结果表明，在IGC溶液中浸泡24 h后，母材发生严重孔蚀，腐蚀深度较深；焊缝区发生局部网络状晶间腐蚀；热影响区观察到少量的晶间腐蚀现象。在EXCO溶液中浸泡96 h后，母材发生了严重剥落腐蚀，热影响区发生轻微的剥蚀，焊缝未发生剥蚀。

Al-Cu-Li合金；电子束焊接头；晶间腐蚀；剥蚀；腐蚀形貌

0　前言

随着航空工业的快速发展，新型铝锂合金正逐步取代传统高强铝合金用于制作飞行器结构。研究表明[1]，铝合金中每掺入1％(质量比)的Li元素，可使合金的密度降低3％，弹性模量提高6％，Al-Cu-Li系合金作为第三代铝锂合金，合金中各种强化相在强韧化以及提高其他性能方面发挥着协同作用，使合金的综合性能得到很大提高，目前已经成功应用于F16、F22、F35、A380、C-系列等先进军机和民机以及航天飞机、运载火箭、导弹及卫星等领域[2]。

制作飞行器构件采用焊接代替铆接和机械连接可进一步减轻结构重量和降低生产成本，节约能源。目前国内外学者对铝锂合金的耐蚀性能已进行了一定研究[3-5]，但是有关铝锂合金焊接接头的耐蚀性能研究还比较少见。飞行器在服役过程中难免受到气流等腐蚀环境作用，因此研究这类合金焊接接头的耐蚀性对提高飞机器构件的性能、保证飞行安全具有重要的实际意义。基于此，本研究对Al-Cu-Li合金真空电子束焊接头进行耐蚀性能分析评价，以期为新型Al-Cu-Li合金在实际生产中应用提供理论指导和技术支持。

1　试验材料及方法

试验母材为厚度2.5 mm的Al-Cu-Li合金轧制板材，热处理状态为T8态（固溶，预变性+人工时效），其化学成分为w（Cu）=3.6％，w（Li）=0.8，w（Mg）=0.7，w（Ag)=0.34，w（Zn)=0.32，w（Mn）=0.29，w（Zr）= 0.12，w（Al）为余量。采用电子束工艺进行焊接，接头型式为对接接头，经过优化的焊接工艺参数见表1，焊缝表面成形良好，未发现有气孔、夹杂和微裂纹等缺陷。

表1　电子束焊接工艺参数

采用线切割方法从焊接试样上截取制备腐蚀试样，腐蚀试样尺寸为10 mm×10 mm×2.5 mm。除腐蚀试样的试验表面外，其余非试验面用环氧树脂进行涂封。腐蚀面分别用不同型号砂纸逐级打磨，然后按除油→蒸馏水清洗→干燥备用步骤进行预处理。

晶间腐蚀（IGC）实验按国家标准GB7998-1987进行，溶液体系为0.5 mol/L NaCl+0.1 mol/L HCl，溶液体积与试样面积比为20 mL/cm2，实验温度保持在35℃±1℃，暴露时间为24 h。将干燥备用的Al-Cu-Li合金接头试样浸泡在溶液中24 h后取出，腐蚀试样经30％HNO3溶液浸泡，蒸馏水冲洗后用吹风机吹干，取其横截面，经镶嵌后制成金相试样，在金相显微镜下观察试样横截面晶间腐蚀情况并测量其最大腐蚀深度。

剥落腐蚀实验按ASTM G-34-79标准进行，溶液为EXCO溶液（4 mol/L NaCl+0.1 mol/L HNO3+ 0.4mol/LKNO3），溶液体积与试样面积比大于20mL/cm2，实验温度为（25±3）℃，将干燥备用的Al-Cu-Li合金接头试样浸泡在EXCO溶液中。浸泡腐蚀24 h、48 h、72 h、96 h后，及时拍摄腐蚀后样品的表面宏观形貌。按照ASTM G-34-79标准对腐蚀试样进行评级。评级代号：N表示合金没有发生腐蚀、P表示发生了点蚀；EA：合金表面呈现出小薄片状、小泡状、粉状的腐蚀形貌；EB：合金表面明显分层；EC：腐蚀渗入基体相当深度；ED：腐蚀更深入基体，并伴有表层金属剥落。

2　实验结果与分析

2.1Al-Cu-Li合金电子束焊接头微观组织

如图1所示，铝锂合金电子束焊接头不同区域的微观组织明显不同。Al-Cu-Li合金母材微观形貌为典型的沿轧制方向的带状组织。焊接热影响区的组织仍然为沿轧制方向的纤维状组织，但组织晶粒有所粗化。焊缝金属经历了高温熔化，冷却凝固的过程，组织为典型的铸造组织，熔合线附近为柱状晶，焊缝中心为等轴树枝晶组织。

图1　Al-Cu-Li合金电子束焊接头显微组织

2.2晶间腐蚀形貌

Al-Cu-Li合金电子束焊接头在IGC溶液中浸泡24 h后，接头各区域的腐蚀形貌如图2所示。表2为测得的接头各区域的最大晶间腐蚀深度。由图2可知，母材区域受到的腐蚀程度比焊缝金属区、热影响区都要严重。如图2a可知，母材区域存在明显的点蚀坑，腐蚀产物较多，腐蚀深度也较深，且腐蚀沿着扁平状晶粒组织扩展，点蚀坑的最大深度为84.5 μm。接头热影响区经历了焊接热循环作用，部分析出相溶解，元素在晶界处发生偏聚，沿着轧制方向上存在晶间腐蚀，腐蚀程度与母材相比较轻。在焊缝金属区可观察到局部区域发生了晶间腐蚀，腐蚀裂纹分布成网络状，晶间腐蚀扩展的最大深度为62.4 μm。

图2　Al-Cu-Li合金接头在IGC溶液中浸泡24 h后横截面形貌

表2　Al-Cu-Li合金电子束焊接头晶间最大腐蚀深度

图3　Al-Cu-Li合金接头在EXCO溶液中浸泡不同时间的表面宏观形貌

2.3剥落腐蚀形貌

Al-Cu-Li合金电子束焊接头在EXCO溶液中分别浸泡24 h、48 h、72 h、96 h后的表面宏观形貌照片如图3所示。表3为接头在EXCO溶液中浸泡不同时间后，根据ASTM G-34-79标准评价的剥落腐蚀等级。

由图3可知，在EXCO溶液中浸泡初期，母材表面变为暗灰色，且局部区域出现了点蚀，而热影响区和焊缝金属区没有明显变化。当浸泡48 h后，母材的大部分区域都已经“起皮”，呈现出典型的剥落腐蚀特征。随着腐蚀时间的延长，母材的剥落腐蚀越来越严重，同时发现，在母材和热影响区表面有呈暗红色的腐蚀产物依附，而焊缝金属区只有微量的点蚀坑。当浸泡96 h后，热影响区也开始呈现出剥落腐蚀形貌，但腐蚀程度较轻，而焊缝区只呈现出轻微的点蚀，表面还保持一定的光亮度，腐蚀不明显。由图3还可知，焊缝金属的抗剥落腐蚀性能明显优于母材。

表3　Al-Cu-Li合金接头在EXCO溶液中的剥蚀发展过程

3　分析与讨论

3.1接头不同区域的晶间腐蚀行为

晶间腐蚀的敏感性主要与合金的显微组织特征有关，特别是第二相的种类、形状、尺寸和弥散程度等。Al-Cu-Li合金在电子束焊接过程中，局部经历了高温焊接热循环作用，接头各区域的组织和性能发生了较大变化。铝合金发生晶间腐蚀的主要原因是，由于晶界附近的析出相与周围基体存在电位差，当存在腐蚀介质时，构成腐蚀微电池，使得在沿晶方向上优先腐蚀并形成阳极溶解通道[6]。

Al-Cu-Li合金电子束焊接头在IGC溶液中浸泡24 h后，母材发生了严重的孔蚀。这是由于Al-Cu-Li合金的供货状态为T8，合金中的主要强化相T1相优先在位错、晶界以及亚晶界处形核，预变形导致合金内部形成大量位错和亚晶界，在随后的人工时效过程中，T1相在位错和晶界处大量均匀弥散形核、析出长大[7]。此外，由于T1相的电化学电位较基体的负，两者之间存在电位差[8-9]，构成若干个腐蚀电池，为点蚀发生提供了较多有利的位置，从而形成了孔蚀。

在IGC溶液中浸泡24 h后，焊缝金属局部区域观察到了网状的晶间腐蚀。这是因为焊缝金属是由母材经高温熔化、快速冷却凝固形成的，析出相经历高温后全部溶解，焊后处于自然时效状态。析出相溶解，溶解后的原子易于在晶界处发生偏聚，因而晶界的化学活性比晶内高，在IGC腐蚀介质中与周围金属形成腐蚀电偶，构成晶间腐蚀通路，使得焊缝形成网状的晶间腐蚀。

3.2接头不同区域的剥落腐蚀行为

母材在EXCO溶液中浸泡96 h后发生了剥落腐蚀。剥蚀是铝合金局部腐蚀的一种主要形式，一般认为，当腐蚀沿铝合金晶界扩展时，腐蚀产物在晶界堆积，产生一个向外的楔应力，使表层晶粒脱落而产生剥蚀[10]。在剥蚀溶液的浸泡下，Al-Cu-Li合金的晶界处会萌生腐蚀，当腐蚀产物堆积到一定量的时候，腐蚀产物堆积会导致产生垂直于晶界向外的楔应力。Al-Cu-Li合金母材经过反复轧制，合金内部为拉长的扁平状晶粒组织，因此楔应力的方向总是垂直于合金表面，随着楔应力的增大，在金属表面生成鼓泡，严重时使合金表面呈层状或片状剥落，呈现层状腐蚀形貌。

在EXCO溶液中浸泡96 h后，焊缝金属未观察到剥落腐蚀现象，具有优异的抗剥落腐蚀能力。Kelly和Robinson[11]认为剥蚀发生需要满足两个必要条件：拉长的晶粒与晶界电偶腐蚀造成的腐蚀通路。如果晶粒不呈拉长状，腐蚀产物堆积所产生的楔应力就不会都指向表面。由接头金相组织图可知，焊缝晶粒呈等轴状，多数应力相互抵消，即使产生晶间腐蚀也不能发展成剥落腐蚀。因此，焊缝金属的抗剥落腐蚀性能明显优于母材。

在热影响区并没有观察到明显的剥落腐蚀，只是存在局部的晶间腐蚀。可能是由于热影响区经历了焊接热循环作用，使得晶内的T1相发生一定程度的溶解，元素在晶界聚集使晶界的化学活性增高，导致发生沿晶腐蚀。

4　结论

（1）Al-Cu-Li合金电子束焊接头在IGC溶液中浸泡24 h后，母材表面存在较深的蚀孔，焊缝区域主要发生局部网络状晶间腐蚀，热影响区沿轧制方向上存在局部晶间腐蚀。

（2）Al-Cu-Li合金电子束焊接头在EXCO溶液中浸泡，随着时间延长，腐蚀逐渐严重。母材区最先呈现出剥落腐蚀形貌，其次为热影响区。焊缝金属区在浸泡96 h后，未观察到明显的剥蚀现象。

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Corrosion behavior of Al-Cu-Li alloy joint by electron beam welding

BEN Haifeng，WANG Shaogang，HAN Xiaomin，HUANG Yan
（College of Material Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The intergranular corrosion（IGC）and exfoliation corrosion（EXCO）behavior of Al-Cu-Li alloy joints by electron beam welding are investigated.The morphologies of IGC and EXCO in different regions including base metal，heat-effected zone and weld metal are analyzed by using metallographic microscope respectively，and the maximum depth of intergranular corrosion is measured.Results indicate that，after joint sample is immersed in IGC solution for 24h，great pitting corrosion occurs to base metal.The local intergranular corrosion occurs to weld metal and a little intergranular corrosion is developed within HAZ.After immersed in EXCO solution for 96h，the base metal shows severe exfoliation corrosion，but weld metal is not susceptive to the exfoliation corrosion.

Al-Cu-Li alloy；electron beam welding joint；intergranular corrosion；exfoliation corrosion；corrosion morphology

TG456.3

A

1001－2303（2016）05－0036-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.08

2015－01－10；

2015－05－20

贲海峰（1989—），男，江苏南通人，在读硕士，主要从事铝锂合金的电子束焊接工作。