2A97铝合金硫酸阳极氧化搅拌摩擦焊对接结构件在热带岛礁海洋大气环境暴露初期的失效行为

2020-05-14潘峤骆晨汤智慧刘明高蒙孙志华赵明亮

环境技术 2020年2期

潘峤，骆晨，汤智慧，刘明，高蒙，孙志华，赵明亮

（中国航发北京航空材料研究院，中国航空发动机集团航空材料先进腐蚀与防护重点实验室，北京 100095）

前言

应用在飞机典型结构部位的2A97铝合金具有强度高、刚度高、韧性好等特点，受到广泛关注[1]。飞机在热带海洋大气环境条件中长期服役而产生的铝合金结构及表面防护体系的腐蚀失效问题受到广泛关注[2，3]。铝合金焊接部位的焊缝及热影响区由于晶粒相对粗大，存在元素偏析，往往成为易发生腐蚀的薄弱部位[4]。为此，业内开发了多种表面处理方法用来改善铝合金焊接件的表面状况，以提高相关铝合金材料及结构的环境适应能力[5，6]。硫酸阳极氧化是一种目前普遍采用的铝合金表面处理方法，可使铝合金在酸性条件下形成一层致密的氧化膜层，从而起到阻挡外界腐蚀介质接触铝合金基材的作用[7]。国内外一些相关研究[8]表明铝合金阳极氧化膜的性质在很大程度上受合金显微组织的影响。铝合金硫酸阳极氧化膜在形成的同时又不断溶解，在膜层中造成了一定的孔隙，成为外界腐蚀介质进入膜层内部的微小通道[9]。现有的关于铝合金阳极氧化的研究报道主要是关于阳极氧化工艺参数的筛选[10]，以及阳极氧化膜孔形貌特征变化分析等方面[11-13]。本工作以硫酸阳极化2A97铝合金搅拌摩擦焊对接结构试样件为研究对象，在某热带岛礁开展户外暴露试验，通过宏观形貌、微观形貌、成分分析、电化学阻抗分析等方法，研究了其在某岛礁海洋大气环境自然暴露初期的变化规律与腐蚀失效行为。

1 材料及测试仪器

1.1 材料和试样形式

试样基体材料为2A97铝合金，其化学成分（质量分数 /%）如下：Li 0.9～2.5，Fe 0.15～0.2，Si 0.15～0.2，Cu 2.0～3.2，其他≤0.05，Al余量。采用搅拌摩擦焊制备成对接试样，主轴转速为约600 r/min，主轴旋转方向为逆时针，焊接速度约为160 mm/min。随后以硫酸阳极化作为表面处理方式，制备成规格为50×110×1.2 mm的试样，试样尺寸及结构形式如图1所示。焊接后样品的宏观照片如图2所示。

1.2 试验使用的主要仪器和设备

研究过程使用的主要仪器和设备情况如表1所示。

图2 焊接件裸材试样照片

表1 主要监测仪器

表2 热带岛礁环境参数

2 试验过程

2.1 自然暴露试验

选取某热带岛礁进行户外暴露试验，大气环境参数如表2所示。试样的焊核区有缝隙的一面朝南露天放置，放置方位与水平方向成45 °，具体要求参见GB/T 14165-2008。

图3 试样的宏观照片

2.2 外观记录

利用数码相机对每周期取回的试样拍摄不放大的宏观照片。

2.3 微观形貌分析

利用光学视频显微镜对每周期取回的试样拍摄放大100倍的微观形貌照片。

2.4 SEM和EDS

使用SEM检查试样表面，比较分析各个试验周期后试样典型部位的表面形貌变化情况。扫描电子显微镜拍摄参数设置为：入射电子束加载电压为20 kV，工作距离约为10 mm，放大倍数为500倍。利用能谱（EDS）分析，获取试样表面化学成分分布的信息。

2.5 电化学阻抗（EIS）测试

电化学阻抗测试采用三电极体系，其中参比电极、辅助电极和工作电极分别为饱和甘汞电极（SCE）、铂电极和2A97铝合金基材。有效测试面积保持为1 cm2。测试开始前，将试样在浸泡于质量分数为3.5 %的NaCl溶液中10 ～20 min，待电位稳定后开始测量。

3 结果与讨论

3.1 外观变化分析

由图3中2A97铝合金硫酸阳极化搅拌摩擦焊对接试样的宏观照片信息可知，户外暴露0.5年后，试样表面颜色由浅褐色变为灰白色，但焊缝连接处、热影响区以及非焊接部位均未观察到明显的变化，无明显的腐蚀产物堆积；户外暴露1年后，试样表面颜色无明显改变，在焊缝连接处、热影响区以及非焊接部位同样均未观察到明显的变化，无明显的腐蚀产物堆积。

图4 光学显微镜微观照片

3.2 表面形貌及成分变化分析

图4 为2A97铝合金搅拌摩擦焊对接件硫酸阳极化户外暴露试样的光学微观照片（放大500倍）。初始试样非焊接区呈现出硫酸阳极化典型的多孔结构，在热影响区呈现出条纹状的焊接形貌，在焊缝处形成了明显的缝隙；户外暴露0.5年后，试样的非焊接区无明显变化，而热影响区的典型条纹状形貌特征有所消散，焊缝周围未观察到腐蚀产物堆积；户外暴露1年后，试样非焊接区整体形貌特征变化不明显，但在局部区域可观察到较为明显的起伏不平和颜色变化，可推断为硫酸阳极化膜层的衰退，而在热影响区仍可观察到条纹状的典型形貌，但在局部区域可观察到少量缺陷（圈中所示），焊缝周围局部区域可观察到明显的颜色改变。

图5 热影响区SEM和EDS图像

图5 （a）、（b）和（c）分别为2A97铝合金硫酸阳极化搅拌摩擦焊对接试样热影响区在初始状态、经过0.5年户外暴露和经过1年户外暴露后的SEM和EDS图像。由图5（a）中信息可知，原始试样热影响区表面存在由硫酸阳极氧化过程形成的多孔形貌以及由焊接过程形成的条纹状形貌，试样表面的主要元素Al、S呈均匀分布；由图5（b）中信息可知，试样在热带岛礁大气环境中暴露0.5年后，仍然可观察到多孔形貌和条纹状形貌，但条纹状形貌特征有所弱化，且表面附着的杂质数量明显增多，试样表面的主要元素Al、S仍然较为均匀地分布在表面；由图5（c）中信息可知，试样在热带岛礁大气环境中暴露1年后，总体形貌变化不明显，但在局部区域中S元素的分布已呈现出较为明显的差异。综上所述，经过1年户外暴露试验后， 2A97铝合金硫酸阳极化搅拌摩擦焊对接试样热影响区表面孔隙和缺陷增多，外界的杂质容易残留在表面的孔隙形貌中，但暂未形成腐蚀区域。

3.3 电化学行为分析

图6（a）为2A97铝合金硫酸阳极化搅拌摩擦焊对接试样热影响区经历户外暴露试验后的Bode曲线图。由图6（a）可知，随着测试时间的增加，试样在测试电信号频率为0.01 Hz处的阻抗模值逐渐减小[14]，其中0.5年后的阻抗模值由初始的2.08×106Ω下降为7.34×105Ω，1年后降低为5.51×105Ω。

图6（b）为2A97铝合金硫酸阳极化搅拌摩擦焊对接试样热影响区经历户外暴露试验后的Nyquist曲线图。由图6（b）可知，初始试样在低频区阻抗虚部随着电信号频率降低，以及测试时间的增加而逐渐增大；在同一测试频率下，经历不同暴露时间试样的阻抗实部和虚部均不相同，且暴露时间越长，其数值相对更低，即容抗弧初始位置对应的阻抗值相对更小。由此说明，经历户外暴露试验后，被检测区域的阳极氧化膜层的防护效果有所褪化，使得电解液可通过氧化膜表面缺陷扩散到内部并与基材接触，从而形成了电流通路。Bode曲线图和Nyquist曲线图的特征与试样的形貌特征相吻合。