7N01铝合金焊接接头腐蚀行为研究进展

魏 萍，吴铭方，刘大双，董智慧

1.江苏科技大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212100

2.合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009

0 前言

轻量化是交通运输业实现高速化和节能减排的关键技术，采用轻质高强的铝合金材料是轻量化的有效途径[1]。7N01铝合金是一种可热处理强化的新型Al-Zn-Mg系铝合金，具有强度高、可焊性强、加工性能好、质量轻等优点，是高速列车、海洋船舶、航空航天等领域的关键材料之一[2-6]，但高的腐蚀敏感性在一定程度上限制了其使用范围[7]。

由于7N01铝合金焊接接头受非均匀温度场影响，金属成分和冶金结构的改变、焊接变形和残余应力等问题导致接头各区域的金相组织、化学成分和受力情况相差较大，进而导致各区域腐蚀敏感性不同。焊接接头是整个构件的薄弱部位[8]，时效状态、焊接工艺和参数、焊后处理等一系列因素都会影响其腐蚀性能。7N01焊接接头及其服役环境的复杂性也给腐蚀研究带来了极大的挑战。目前，国内外学者重点对7N01铝合金焊接接头的腐蚀过程、腐蚀机理和腐蚀防护等方面进行了研究。本文对7N01铝合金焊接接头的腐蚀类型和研究方法进行了归纳，分析了腐蚀机理和腐蚀影响因素，并提出了提升焊接接头耐腐蚀性能的主要途径。

1 7N01铝合金焊接接头腐蚀类型、研究方法和机理

1.1 腐蚀类型

7N01铝合金焊接接头经历骤热骤冷过程，局部微观组织发生复杂变化，析出相产生不平衡溶解及析出行为，重新分配于界内及晶界，导致焊接接头组织的不均匀性，存在残余应力，也易产生气孔、夹杂、未熔合等焊接缺陷，这些因素均会加速腐蚀。7N01铝合金焊接接头的腐蚀类型包括电偶腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀。不同的腐蚀类型之间常常具有一定关联性，如7N01铝合金焊接接头易发生电偶腐蚀，而电偶腐蚀往往会诱发点腐蚀，若活化相在晶界处连续分布，则易由点蚀发展为晶间腐蚀[9]，随着蚀坑深度逐渐向内部扩展，当腐蚀产物体积大于被腐蚀金属体积，形成拉应力，有可能进一步发展为剥落腐蚀[10]。剥落腐蚀是晶间腐蚀的一种特殊形式，会导致腐蚀坑、腐蚀孔和腐蚀缝隙，这些将成为应力腐蚀和腐蚀疲劳的裂纹源，在恒定或交变载荷下会进一步发展，导致应力腐蚀断裂或腐蚀疲劳[11]。7N01铝合金腐蚀类型的典型发生条件、腐蚀特征、影响因素及腐蚀类型如表1所示。

表1 7N01铝合金腐蚀类型典型发生条件、腐蚀特征及影响因素Table 1 Typical occurrence conditions，characteristics and influencing factors of corrosion types of 7N01 aluminum alloy

1.2 腐蚀研究方法

目前，国内外学者主要采用室内模拟加速实验和电化学测试，并配合表面分析及形貌观察方法对7N01铝合金焊接接头腐蚀进行研究。研究方法主要包括：失重法、开路电位、电化学分析（电化学阻抗、极化曲线）、表面分析（表面形貌分析、表面腐蚀产物分析）。表2为7N01铝合金焊接接头腐蚀研究方法及实验情况。

1.3 腐蚀发生区域

由于焊接热输入及其热传递机制不同，7N01铝合金焊接接头热影响区组织与母材和焊缝存在较大差异，从而表现出不同的耐蚀性能。热影响区是母材和焊缝的过渡区，存在严重的物理和化学不均匀性，焊缝区具有较高电位，与热影响区之间构成电位差较大的腐蚀电池，电位低的热影响区作为阳极会被优先溶解腐蚀，成为焊接接头中对腐蚀最为敏感的区域，最先发生晶间腐蚀，晶间腐蚀敏感性最大[9]。研究表明，7N01铝合金焊接接头的应力腐蚀敏感性为：热影响区＞母材区＞焊缝区[15，19，22]。朱瑞栋等[23]研究了A7N01S-T5铝合金MIG焊接接头在3.5%NaCl溶液中的耐应力腐蚀性能，发现具有粗晶层的试样由于大角度晶界较少，能有效降低其应力腐蚀敏感性。A7N01S-T5铝合金MIG焊接接头试样在腐蚀28 d后，各微区均未出现应力腐蚀开裂，应力腐蚀敏感性为：去除粗晶层＞具有粗晶层。相较于MIG焊，FSW各个区域所经历的热循环和力的作用不同，因此接头各区域的显微组织演变与MIG焊接头明显不同，腐蚀行为也存在差异。王禹[24]发现7N01铝合金FSW接头腐蚀性能从顶部到底部逐步提高，在腐蚀性能上，焊核区＞母材＞热影响区＞前进侧热机影响区＞后退侧热机影响区。Zhang等[9]发现7N01-T5铝合金FSW接头的热影响区对晶间腐蚀的敏感性最高，且热影响区的上下表面层的腐蚀程度比中心层严重，晶界上连续分散的析出物和晶粒尺寸可能是导致热影响区腐蚀程度不同的主要因素。温度梯度导致热机影响区的抗晶间腐蚀能力从上到下逐渐降低。搅拌区经历了严重的塑性变形和温度循环，晶间腐蚀敏感性较低，这归因于焊接过程中强化析出物的充分再溶解，这与方振邦等[25]的研究一致。

表2 7N01铝合金焊接接头研究方法及实验情况Table 2 Research methods and experiments of 7N01 aluminum alloy welded joints

1.4 腐蚀机理

铝合金焊接接头各区域的组织和成分差异，导致这些区域的化学电位不同。铝合金焊接接头的腐蚀机制的本质是电化学性质，腐蚀机理主要由显微组织的电化学不均匀性和化学成分均质化程度两个因素决定的[26]。

7N01铝合金焊接常用焊丝主要是铝镁系[27-29]，铝镁焊丝提高了焊缝处的镁含量，形成强化相Al8Mg5（β相）。7N01铝合金晶界上较易析出富锌相，主要强化相为MgZn2（η相）或Al2Mg3Zn3（T相）。母材的富锌相（MgZn2和Al2Mg3Zn3）电位低于焊缝Al8Mg5的电位，因此，母材更易发生电化学腐蚀[12]，沿晶界连续分布的富锌相由于发生电化学反应而溶解，导致晶界成为阳极活性通道，使得腐蚀不断向金属内部发展[18]。

需要指出的是，7N01铝合金焊接接头对应力腐蚀开裂敏感性较大，然而应力腐蚀开裂受各种微观因素的影响，机制十分复杂。目前，学术界对于应力腐蚀机理仍未达成共识，主要提出了氢脆理论、阳极溶解理论和钝化膜破裂理论[30]。腐蚀疲劳是应力腐蚀的特殊形式之一，裂纹萌生于表面腐蚀坑，在交变应力作用下，蚀坑深度和表面积均迅速增加，当蚀坑增大到临界尺寸时，微裂纹作为相邻蚀坑间的“桥梁”，导致腐蚀疲劳裂纹形成、扩展，直至断裂[10]。

2 腐蚀影响因素

2.1 铝合金时效工艺

铝合金时效处理是指铝合金在一定温度下（分为自然时效和人工时效），保持一段时间，由于过饱和固溶体脱溶和晶格沉淀而使强度逐渐升高，从而提高铝合金性能的处理方法。7N01作为一种典型的时效强化铝合金，溶质原子Mg和Zn析出，富集在某一区域内形成GP区之后发生偏聚，持续保温，GP区转化为亚稳态的过渡相η´相（MgZn），由于该过渡相不稳定，所以时效工艺会影响7N01铝合金焊接接头的腐蚀性能。

聂媛[31]发现7N01铝合金焊接接头表面抗腐蚀能力为T73>T6>自然时效状态。这是由于T73的时效制度使得含量较高的Mg2Zn3、η（MgZn2）等亚稳定相和稳定相析出并长大，减少了晶界及周围的自由Mg，从而减少了H原子在晶界的偏析和脆化作用，并且使得晶界上平衡相的析出变得不连续，因此改善了其耐腐蚀性。杨振东等[32]发现7N01-T5与7N01-T7焊接接头经20 d的应力腐蚀后未发现裂纹，两种焊接接头应力腐蚀临界值均超122 MPa，且第二相的数量对应力腐蚀性能有影响。Li等[33]研究了T4和T5两种供应状态下的7N01铝合金MIG焊焊缝的腐蚀行为，发现7N01-T5合金侧最容易发生剥落腐蚀的是AT5-HAZI，而7N01-T4合金侧最容易发生晶间腐蚀的是AT4-HAZI，这一现象证明焊接接头不同位置之间的电偶腐蚀取决于阴极区和阳极区之间的距离。

2.2 焊后处理

焊后处理可改善焊缝组织和成分，从而提升材料的耐蚀性能。超声冲击可增加铝合金表面的晶界和晶内的比例，细化晶粒，缓解局部腐蚀，降低腐蚀深度[34]。刘军等[35]对7N01P-T4铝合金焊接接头进行超声冲击处理（1 500 W，1 min）。对超声冲击强化和未强化的试样进行应力腐蚀，两者均在焊趾处断裂。超声冲击改变了7N01P-T4焊接接头的表面应力状态和分布，使其应力腐蚀寿命提高了6.6倍。赵毅[36]研究了焊后热处理工艺对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头耐蚀性的影响，接头化学浸泡耐点蚀性能、电化学耐蚀性和应力腐蚀排序都为：未处理<单级时效<双级时效<回归时效，并得出不同热处理工艺条件下析出相的大小、分布及形貌差异是导致接头耐蚀性不同的主要原因。同时，无论采用何种热处理工艺，接头焊核区耐蚀性均优于热影响区。此外，晶间腐蚀试验的结果表明，未处理、双级时效和回归时效的焊接接头的晶界腐蚀行为并不显著。盐水中慢拉伸实验表明，回归再时效的焊接接头断口为准解理断裂，而未处理、单级时效和双级时效的焊接接头的断口都表现出明显的沿晶断裂特征，腐蚀开裂机理是阳极溶解理论。

2.3 焊接工艺参数

不同的焊接工艺参数会导致铝合金焊接接头的微区组织结构、化学成分、焊接缺陷和焊接热源施加的热-力-温度耦合机制的存在差异，因此铝合金的腐蚀行为和腐蚀机理也不相同。7N01铝合金焊接接头易存在软化、气孔和热裂纹等缺陷，从而影响接头的腐蚀行为[37]。近年来，焊接工艺参数的探索主要集中在工艺参数的优化和创新方面。Huang等[16]研究了激光修复对7N01铝合金惰性气体保护焊接接头腐蚀行为的影响，MIG焊和激光修复可增加MgZn2O在晶界上的连续性，并使得抗点蚀性更高，剥落腐蚀速率的顺序为：热影响区>基材>焊缝。焊接参数会影响焊接接头各区域组织结构和化学成分均匀性，从而对腐蚀性能产生重要影响。綦秀玲等[38]研究了不同焊接电流对7N01铝合金焊接接头组织和性能的影响，当焊接电流为150A、160 A、170 A时，焊缝发生钝化，而当焊接电流为180 A时焊缝未发生钝化，且焊接电流为170 A时焊缝的耐蚀性最好。王新等[39]采用不同的湿度条件探讨焊缝气孔对A7N01铝合金焊接接头腐蚀性能的影响，发现裂纹优先在气孔处萌生，并发展成严重的缺口，在腐蚀介质和应力的共同作用下，形成沿晶与脆性疲劳条带的混合断裂形貌。

补焊工艺会导致7N01铝合金焊接接头热影响区域腐蚀性能降低，分析原因是补焊使Zn和Cu元素从基体向晶界处扩散，并产生了额外的热循环，增加了基体与晶粒的腐蚀电位差[40]。疏健文[41]采用MIG对A7N01S-T5铝合金搅拌摩擦焊接头的搅拌区进行补焊，补焊接头各区耐蚀性优劣排序为：母材区≈MIG焊缝区≈前进侧MIG过时效区＞前进侧MIG淬火区≈后退侧MIG淬火区＞后退侧MIG过时效区＞热机影响区＞热影响区。

2.4 腐蚀环境

在不同的腐蚀环境下，7N01铝合金焊接接头的腐蚀性能各不相同，目前的研究主要采用电化学测试和室内加速模拟试验。马传平等[42]研究A7N01-T5和A7N01-T4铝合金双脉冲MIG焊头在不同介质中的电化学腐蚀行为，发现母材及焊缝在NaNO3溶液中耐腐蚀性最好，Na2SO4溶液中次之，NaCl溶液中最差。赵朋成等[43]对A7N01S-T5铝合金MIG焊接接头的应力腐蚀行为进行分析，发现母材和焊接接头在腐蚀性环境下的腐蚀敏感性比相应的大气环境中好，且在相同环境下焊接接头的应力腐蚀敏感性比母材好。与空气中的抗拉强度相对比，腐蚀环境下母材抗拉强度下降了6.9%，焊接接头抗拉强度下降了15.7%；由母材和焊接接头不同慢应变拉伸条件下的应力腐蚀敏感指数曲线可知，母材和焊接接头的应力腐蚀敏感指数均随慢应变速率的升高而增大。林松等[44]对7N01铝合金薄板进行了正反面各一道次的双面搅拌摩擦焊，并通过慢应变速率拉伸实验研究了接头的应力腐蚀敏感性。结果表明，在空气和NaCl溶液中，焊接接头均在热影响区拉伸断裂，热影响区为薄弱区；搅拌摩擦焊接头的拉伸性能低于母材，并且接头具有更高的应力腐蚀敏感性。结合断口形貌可知，在NaCl溶液中，焊接接头热影响区活泼的晶界强化第二相作为阳极与基体形成腐蚀微电池，第二相不断溶解产生点蚀[45]。

3 提升耐蚀性的技术途径

相关研究指出，减少晶界析出相和基体之间的潜在差异[46]以及打断晶界析出物沿晶界的连续分布[47]可以提高Al-Zn-Mg（-Cu）铝合金的耐腐蚀性。7N01铝合金焊接接头防腐蚀方法主要有：

（1）降低预析出温度。随着预析出温度的降低，合金应力腐蚀扩展速率呈明显下降趋势。在低应力强度因子条件下，预析出温度越低，越不易发生裂纹扩展[48]。

（2）焊后热处理。焊后热处理可以释放部分或全部残余应力，保护焊件不受某些腐蚀，使材料部分均匀化，从而减少电位差。研究表明，随着固溶温度的升高，接头的晶间腐蚀程度先减小后增大[49]。

（3）表层保护。表层保护是一种表面处理方法，包括微弧氧化、阳极氧化和包铝层等。通过表层保护可以明显提高焊接接头防腐效果，进而提高工件的使用寿命。李波等[50]发现包铝层对A7N01P-T4基体以及焊接接头的热影响区具有较好的防护作用。采用微弧氧化技术在7N01-T5铝合金搅拌摩擦焊接头表面制备的陶瓷涂层具有优异的耐蚀性，沸水密封处理可生成水合氧化铝，使孔壁膨胀、孔径减小，可大大提高试样的耐腐蚀性，在应力腐蚀敏感性试验中持续96 h后失重仅为2.6 mg[51]。

4 结论

7N01铝合金焊接接头腐蚀性能研究主要集中在：（1）研究焊接工艺及参数、热处理、腐蚀介质等对7N01铝合金腐蚀类型、腐蚀行为的影响；（2）探讨腐蚀与组织成分的关系，研究焊接接头不同区域的腐蚀敏感性，并对焊接接头腐蚀演变规律及腐蚀机理进行研究；（3）室内加速实验（盐雾试验、应力腐蚀实验等）模拟实际服役环境的腐蚀行为；（4）研究提升焊接接头耐蚀性的技术途径。

总体上看，国内外对7N01铝合金焊接接头腐蚀性能研究多集中在实验室条件下进行，对于实际服役环境下焊接接头腐蚀研究报道较少。由于7N01铝合金焊接接头的腐蚀环境相当复杂，对其在实际环境中使用寿命的评价，亟需开展一系列腐蚀环境下的腐蚀行为研究，以获得7N01铝合金焊接接头使用性能与腐蚀行为之间内在联系，为正确选择焊接材料和制定焊接工艺提供指导。同时，研究不同腐蚀类型之间的相互作用，根据焊接环境和焊接材料的特点，分析腐蚀类型的影响因素和机制，对进一步提升焊接接头耐蚀性具有重要意义。