2219和2195铝合金焊接接头的腐蚀行为差异研究

汤化伟，邓云发，钱帅豪，张体明，陈玉华

先进焊接与连接

2219和2195铝合金焊接接头的腐蚀行为差异研究

汤化伟1,2，邓云发3，钱帅豪3，张体明3，陈玉华3

（1.西北工业大学 材料学院，西安 710072；2.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245；3.南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063）

研究运载火箭贮箱用2195新型铝锂合金搅拌摩擦焊接头和熔化焊接头相对于传统的2219铝合金焊接接头耐腐蚀性能的差异，分析耐蚀性的演变规律，为贮箱制造及表面防护提供理论指导。以传统的2219铝合金为对照，采用盐雾腐蚀试验、动电位极化曲线测试等方法系统研究2195铝锂合金焊接接头的腐蚀电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率等方面的性能，进而判断新型铝合金材料与传统铝合金材料耐蚀性能的差异。2种铝合金焊接接头各个亚区的耐蚀性均呈现相同的变化规律，其中搅拌摩擦焊接头的耐蚀性能按照热影响区、母材区、热机影响区、焊核区的顺序依次增加；TIG焊接头的耐蚀性能按照热影响区、母材区、焊缝区的顺序依次增加，且在热影响区存在晶间腐蚀的现象。此外，2219和2195铝合金TIG焊接接头热影响区自腐蚀电位分别为−0.653 V和−0.667 V，腐蚀电流密度分别为7.35 mA/cm2和7.55 mA/cm2。2219和2195铝合金搅拌摩擦焊和TIG焊接头的耐蚀性差别不大，且均在热影响区耐蚀性最差；采用同种合金进行焊接时，TIG焊接头的耐蚀性能比FSW接头的差。

铝合金；搅拌摩擦焊；钨极氩弧焊；腐蚀

2219和2195铝合金均属于2系高强铝合金，都具有较高的比强度、良好的断裂韧性、良好的焊接性以及良好的疲劳强度等优异性能，被广泛用于航天运载火箭贮箱的制造中[1-3]。一般情况下，铝合金对盐雾、盐水喷雾等腐蚀性环境异常敏感，容易诱发腐蚀失效问题，所以这些装备在近海运输、近海发射场地建造期间可能会面临复杂苛刻的腐蚀环境，存在腐蚀失效的风险，这将大大缩短铝合金结构的使用寿命[4-8]。

通常情况下，2219和2195铝合金可以采用熔化焊和固相焊等方法进行连接，熔化焊主要有钨极惰性气体保护焊（TIG）[9]、熔化极气体保护焊（MIG）[10]、搅拌摩擦焊（FSW）[11]。其中，固相焊多采用FSW，FSW焊接过程产生的热输入较小，可以有效避免因熔化焊产生的气孔、夹杂以及变形等焊接缺陷[12-14]。FSW焊接接头区域经历了焊接热循环和机械搅拌的双重作用，其接头的微观组织与熔化焊接头的微观组织存在显著差别，进而导致二者的耐蚀性也存在差异。除接头焊缝区之外，FSW焊接过程中，在热循环和机械搅拌的作用下，热机影响区（TMAZ）发生了剧烈的塑性变形，TMAZ的耐腐蚀性能也将发生相应的变化。截至目前，国内外研究学者对熔化焊与FSW接头耐腐蚀性能差异进行了大量的研究。章淑芳等[15]采用晶间腐蚀试验及极化曲线测试方法对2219铝合金母材、FSW接头以及TIG焊接头的腐蚀行为进行了研究，结果发现，FSW接头焊核区耐蚀性最好，表面表现为点蚀，且该区域腐蚀电流密度最小，其次是TIG焊接头的焊缝区，该区域表面呈现网状晶间腐蚀的形式，母材的耐晶间腐蚀性能最差，在其表面可以观察到沿轧制方向发展的剥落腐蚀，此外，母材区的腐蚀电流密度最大。刘涛等[16]对6082铝合金接头耐腐蚀性能进行研究时发现，FSW接头和MIG焊接头的耐盐雾腐蚀性能均高于母材的，且2种接头的耐蚀性相差不大。Malarvizhiv等[17]在研究焊接工艺对AA2219铝合金接头性能的影响时发现，2219铝合金TIG焊接头的耐点蚀性能优于电子束焊（EBW）和FSW接头的。由此可见，受铝合金类型、成分、焊接工艺、测试手段等因素的影响，目前对于铝合金FSW接头与熔化焊接头的腐蚀行为差异尚未得到一致结论。因此，有必要深入研究不同焊接方法下新型铝合金焊接结构服役环境的适应性。

文中采用盐雾腐蚀试验和电化学腐蚀试验对2219和2195铝合金FSW和TIG焊接头腐蚀行为进行对比研究，综合分析2219和2195铝合金接头的腐蚀行为差异，以期为新型铝合金焊接工艺优化提供一定的理论支持。

1 试验

选用的材料为2219和2195铝合金，其尺寸均为300 mm×100 mm×8 mm，TIG焊接时选用的焊丝型号为2325，母材和焊丝的化学成分如表1所示。

表1 2219、2195铝合金和2325焊丝的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 2219, 2195 aluminum alloy and 2325 welding wire wt.%

TIG焊接时选用单面双层焊接工艺，焊前对试样接口处开V形坡口，焊接时打底电流为210 A，盖面焊电流为230 A。FSW焊接工艺参数选择如下：焊接速度为47.5 mm/min，旋转速度为600 r/min，下压量为0.3 mm，倾斜角度为2°。

酸性盐雾腐蚀试验（NSS）依据GB/T 10125— 2012[18]在设备型号为YWX–250C盐雾腐蚀箱内进行，盐雾试验溶液为质量分数5%的NaCl水溶液，试验温度为（50±0.5）℃。盐雾腐蚀试验试样尺寸为90 mm×15 mm×2 mm，为了降低误差，每组平行试样均为4个。当盐雾腐蚀至规定时间240 h后，取出试样，清洗去除试样的腐蚀产物，烘干后称量，采用失重法测量腐蚀速率。

式中：0为腐蚀试验前的试样质量，g；0′为腐蚀试验后的试样质量，g；为腐蚀时间，h；为试样暴露于腐蚀介质的总面积，mm2；为腐蚀速率，g/(mm2·h)。此外，考虑到铝合金焊接接头可能会出现局部腐蚀现象，对浸泡后接头的微观表面进行观察。

极化曲线测试采用CS310H型电化学工作站，腐蚀介质为质量分数3.5%的NaCl溶液，分别对FSW和TIG焊接头各区进行研究，其中接头测试区域为工作电极，参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂电极，扫描电位范围为−0.3～0.8 V（vs.OCP），扫描速度为0.5 mV/s，测试并获得相应的极化曲线，结合酸性盐雾试验结果对比分析2种铝合金FSW和TIG接头腐蚀行为的差异。

2 结果及分析

2.1 焊接接头的盐雾腐蚀形貌

2.1.1 2219铝合金

图1为2219铝合金FSW和TIG焊接头经过盐雾腐蚀240 h后的宏观形貌，表2为2种接头在盐雾腐蚀试验中的腐蚀速率。从表2可以判断，TIG焊接头的腐蚀速率大于FSW接头的，说明FSW接头的整体耐蚀性比TIG焊接头的强。由于失重法仅能从平均腐蚀速率的角度评价2种接头耐蚀性的差异，对于局部腐蚀的差异，需进一步通过观察、分析腐蚀形貌得到。从图1a可以看出，TIG焊接头表面热影响区附近出现了较大腐蚀坑，母材区域的腐蚀坑面积显著小于热影响区的，焊缝区的腐蚀程度最轻。从整体来看，TIG焊接头的耐腐蚀性按照热影响区、母材区、焊缝区的顺序依次增加。从图1b可以看出，在FSW接头试样表面热影响区附近出现了较大腐蚀坑，并且有的腐蚀坑还出现了聚集现象，母材区域出现了点蚀坑迹象，其他区域表现出均匀腐蚀形态。由此可知，FSW接头各区域的耐蚀性按照热影响区、母材区、热机影响区、焊核区的顺序依次增加。综上可知，FSW接头耐腐蚀性优于TIG焊接头的，且在TIG焊接头和FSW接头中均是热影响区的耐腐蚀性最差。

表2 2219铝合金焊接接头试样盐雾腐蚀速率

Tab.2 Corrosion rate of 2219 aluminum alloy welded joint specimen after salt spray corrosion

由盐雾腐蚀后的试样宏观形貌可知，2219铝合金的FSW和TIG焊接头热影响区腐蚀最为严重，观察盐雾腐蚀后的表面微观形貌以进一步说明接头的耐腐蚀情况。图2a、b分别为TIG和FSW焊热影响区腐蚀后的表面微观形貌。可以看出，2种接头均发生了由点蚀诱发的剥落腐蚀，并且出现了较大的腐蚀坑，并且在腐蚀坑周围出现了晶间腐蚀现象，且TIG焊接头热影响区腐蚀更为严重。这进一步证明了宏观形貌的结果，又验证了2种接头的热影响区耐腐蚀性最差这一结论。

2.1.2 2195铝合金焊接接头

图3为经过盐雾腐蚀240 h后试样的接头宏观形貌。表3为2195铝合金FSW和TIG焊接头在盐雾腐蚀试验中的腐蚀速率，由表3可见，FSW接头的腐蚀速率小于TIG焊接头的，这说明FSW接头的整体耐蚀性比TIG焊接头的强。从图3a可以看出，TIG焊接头表面热影响区附近出现了较大腐蚀坑，母材区域的腐蚀坑面积显著小于热影响区的，焊缝区腐蚀程度最轻。从腐蚀后的宏观形貌可知，TIG焊接头的耐腐蚀性按照热影响区、母材区、焊缝区的顺序依次增加。从图3b可以看出，在FSW接头试样表面热影响区附近出现了较大腐蚀坑，并且有的腐蚀坑还出现了聚集现象，母材区域出现了点蚀坑迹象，其他区域表现出均匀腐蚀形态。由此可知，FSW接头的耐蚀性按照热影响区、母材区、热机影响区、焊核区的顺序依次增加。综上可知，FSW接头的耐腐蚀性优于TIG焊接头的，TIG焊接头和FSW接头均为热影响区的耐腐蚀性最差。

图2 2219铝合金FSW和TIG焊接头热影响区腐蚀形貌

图3 2195铝合金接头各区盐雾腐蚀试样表面形貌

表3 接头试样盐雾腐蚀后腐蚀速率

Tab.3 Corrosion rate of joint specimen after salt spray corrosion

图4为盐雾腐蚀过后2195铝合金不同接头热影响区的微观形貌。可以看出，2种接头的热影响区均出现了较大的腐蚀坑，在腐蚀坑的周围出现了晶间腐蚀迹象，甚至部分区域出现了剥落腐蚀现象，并且TIG焊接头热影响区的腐蚀情况更为严重。这进一步证明了宏观形貌的结果，又验证了2种接头的热影响区耐腐蚀性最差这一结论。

图4 2195铝合金FSW和TIG焊接头热影响区腐蚀形貌

2.2 2219和2195铝合金FSW和TIG焊接接头动电位极化曲线测试

2.2.1 2219铝合金

图5为2219铝合金FSW和TIG焊接头各区域在腐蚀介质为质量分数3.5%的NaCl溶液中的动电位极化曲线。可以看出，FSW和TIG焊接头表面各区域均呈现正常的阳极溶解特征，而且随着极化电位的升高，均没有出现钝化现象。表4为2219铝合金2种接头不同区域的自腐蚀电位和腐蚀电流密度。可以看出，FSW和TIG焊接头热影响区的自腐蚀电位最小，腐蚀电流密度最大，说明热影响区的腐蚀倾向最高且腐蚀速率最快，即耐蚀性能相比接头其他区域的而言最差，这与盐雾腐蚀中2种接头的热影响区耐蚀性最差的结论相对应。其中，FSW热影响区的自腐蚀电位为−0.655 V，腐蚀电流密度为7.28 mA/cm2，TIG焊接头热影响区自腐蚀电位为−0.653 V，腐蚀电流密度为7.35 mA/cm2，这表明2种接头热影响区的腐蚀倾向相差不大。

图5 2219铝合金FSW和TIG焊接头各区域在质量分数3.5%的NaCl溶液中的极化曲线

表4 2219铝合金TIG焊和FSW接头极化曲线的拟合结果

Tab.4 Fitting results of polarization curves of 2219 aluminum alloy FSW and TIG joints

2.2.2 2195铝合金

图6为2195铝合金FSW和TIG焊接头各区域在腐蚀介质为质量分数3.5%的NaCl溶液中的动电位极化曲线。可以看出，表面接头各区域呈现阳极溶解的特征，随着极化电位的升高，均没有出现钝化现象。表5为2种焊接接头不同区域的自腐蚀电位和腐蚀电流密度。可以看出，FSW和TIG焊接头热影响区的腐蚀倾向相差不大，在同种焊接接头中，均是热影响区的自腐蚀电位最小，腐蚀电流密度最大，说明热影响区的腐蚀倾向最高且腐蚀速率最大，即耐蚀性能相比接头其他区域的而言最差，这与盐雾腐蚀中2种接头的热影响区耐腐蚀性最差的结论相一致。FSW热影响区的自腐蚀电位为−0.661 V，腐蚀电流密度为7.48 mA/cm2，TIG焊接头热影响区自腐蚀电位为−0.667 V，腐蚀电流密度为7.55 mA/cm2，表明2种接头热影响区的腐蚀倾向性最大。

图6 2195铝合金FSW和TIG焊接头各区域在质量分数3.5% NaCl溶液中的极化曲线

表5 2195铝合金FSW和TIG焊接头极化曲线拟合结果

Tab.5 Fitting results of polarization curves of 2195 aluminum alloy FSW and TIG joints

为从本质原理上探究2种接头耐腐蚀性差别的原因，从微观组织的角度进行观察、分析。TIG和FSW焊接头的热影响区由于在焊接过程中受到热循环的作用，均会出现晶粒尺寸变大、第二相尺寸变大的问题。根据前期研究可知[19]，相较于小尺寸的第二相来说，大尺寸的第二相使材料的耐蚀性降低得更为明显，从而导致热影响区的耐蚀性变差。由于FSW属于固相焊，热循环峰值温度相比TIG焊的更低，因此FSW接头热影响区第二相尺寸的变化没有TIG焊的大，通过对比观察图2、图4也可以发现，TIG焊接头的热影响区存在更多、更大的第二相颗粒，这是导致TIG焊热影响区的耐蚀性稍弱于FSW热影响区耐蚀性的主要原因。

3 结论

采用盐雾腐蚀试验、电化学腐蚀试验对比分析了2219和2195铝合金FSW和TIG焊接头耐腐蚀性的差异，得出以下结论。

1）2219和2195铝合金TIG焊接头比FSW接头在盐雾腐蚀环境中的腐蚀速率大，且TIG焊接头耐腐蚀性按照热影响区、母材区、焊缝区的顺序依次增加；FSW接头耐蚀性按照热影响区、母材区、热机影响区、焊核区的顺序依次增加。

2）经过240 h盐雾腐蚀后，2219和2195铝合金的FSW和TIG焊接头中均是热影响区腐蚀最严重，均出现了晶间腐蚀的现象，且同种铝合金2种接头的热影响区耐蚀性相差不大，并且在相同的焊接方式下2种合金的整体耐蚀性差别不大。

3）2219和2195铝合金TIG焊接头热影响区自腐蚀电位分别为–0.653 V和–0.667 V，腐蚀电流密度分别为7.35 mA/cm2和7.55 mA/cm2，与其他区域相比，热影响区的腐蚀倾向最大且腐蚀速率最快，这与盐雾腐蚀试验结果相一致。

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Difference of Corrosion Behavior between 2219 and 2195 Aluminum Alloy Welded Joints

TANG Hua-wei1,2, DENG Yun-fa3, QIAN Shuai-hao3, ZHANG Ti-ming3, CHEN Yu-hua3

(1. School of Material Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China; 2. Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing, Shanghai 200245, China; 3. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The work aims to study the difference of corrosion resistance between 2195 Al-Li alloy friction stir welded (FSW) joints and fusion welded joints and the traditional 2219 aluminum alloy welded joints, and thus to reveal the evolution law of corrosion resistance and provide theoretical guidance for tank manufacturing and surface protection. The salt spray corrosion test and potentiodynamic polarization curve test were conducted to analyze properties of 2195 Al-Li alloy welded joint in terms of corrosion potential, corrosion current density, corrosion rate, etc. to judge the differences of corrosion resistance between new and traditional aluminum alloys. The results showed that corrosion resistance of two aluminum alloy welded joints had the same change rule. The corrosion resistance of friction stir welded joint increased in the order of heat affected zone (HAZ), base metal (BM), thermo-mechanical affected zone (TMAZ), weld nugget zone (WNZ), while that of TIG welded joint increased in the order of HAZ, BM and weld zone (WZ). The phenomenon of intergranular corrosion existed in HAZ. In addition, the self-corrosion potential of TIG welded joints in 2219 and 2195 aluminum alloys was −0.653 V and −0.667 V, respectively, and the corrosion current density was 7.35 mA/cm2and 7.55 mA/cm2, respectively. The conclusions illustrate that the corrosion resistance of FSW and TIG welded joints of 2219 and 2195 aluminum alloys was little different, and their corrosion resistance was the worst in HAZ. The corrosion resistance of TIG welded joints was worse than FSW joints in the same aluminum alloy.

aluminum alloy; friction stir welding; tungsten inert gas welding; corrosion

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.016

TG172

A

1674-6457(2022)08-0111-07

2022–01–04

国家自然科学基金（52165049）；江西省自然科学基金（20202BABL214031）；上海航天科技创新基金（SAST2019–062）；航空基金（2020Z048056002）

汤化伟（1985—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为搅拌摩擦焊。

陈玉华（1979—），男，博士，教授，主要研究方向为先进材料连接技术。

责任编辑：蒋红晨