高强铝合金搅拌摩擦焊接头电化学腐蚀行为研究及寿命预测

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搅拌摩擦焊(FSW)作为区别于传统熔化焊的固相焊接技术,可克服低熔点合金如铝合金在焊接时易出现气孔、热裂纹等缺陷的问题,因此被广泛应用于航天航空、海洋船舶等领域。因此,对实际服役条件下与腐蚀介质直接接触的接头上、下表面的电化学腐蚀行为研究十分重要。本文以2024高强铝合金搅拌摩擦焊接头为研究对象,通过金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)对FSW接头表面各微区的组织结构、第二相粒子及腐蚀演变进行观察;利用拉伸试验及硬度测试对接头的机械性能进行测定;利用电化学方法对接头的腐蚀行为进行描述;最后通过数值模拟方法对接头的耐腐蚀性能进行预测。结果表明:2024高强铝合金FSW接头上、下表面各微区中存在的第二相粒子主要为S相(Al2CuMg)及粗大含Fe相Al-Cu-Fe-Mn-(Si),其在SAZ内发生均匀碎化,而在HAZ内出现严重粗化。由于FSW固有的工艺特点与成型机制决定了接头上下表面及其各微区具有差异性,搅拌头转速能显著改善接头上表面SAZ的腐蚀性能,但其对下表面SAZ的影响很小。在3-5μm的范围内,接头上表面SAZ的自腐蚀电流密度Icorr与晶粒度d符合指数关系Icorr=b+Ae(-d/t0)。FSW接头底部容易出现的“弱连接”现象削弱了接头下表面的耐腐蚀性,不同转速下上表面SAZ的腐蚀性能均优于下表面,而通过优化工艺参数无法改变下表面腐蚀性能比上表面差的问题。此外,接头内各微区的开路电位、极化曲线及交流阻抗的差异反映了腐蚀性能的不同,母材具有最高的开路电位及最低的自腐蚀电流密度,耐腐蚀性能优于焊缝区。FSW接头上表面各特征微区的耐腐蚀性能排序为:BM>SAZ>HAZ;而下表面各特征微区的耐腐蚀性能排序为:BM>HAZ>SAZ。同时,各微区之间由于腐蚀电位的差异存在着明显的电偶腐蚀现象,下表面由于存在电偶腐蚀中“大阴极/小阳极”的问题导致腐蚀加剧,使接头上、下表面之间的耐腐蚀性能差异进一步加大。最后,结合接头上、下表面发生腐蚀后的剩余抗拉强度σres与最大腐蚀深度Dcorr存在的不同指数数学关系,建立了 FSW接头长期腐蚀后的耐腐蚀寿命预测模型。由拟合结果,接头上、下表面腐蚀后的剩余强度数学模型分别如下:上表面为σres=y0+A·e((Dcorr-xc)2)/2;下表面为σres=y0+A·e(Dcorr)/t1。通过数值模拟手段建立了基于Nernst-Planck方程的ALE模型,对FSW接头上、下表面的长期腐蚀损伤进行研究。最大腐蚀深度Dcorr的时变模型符合幂函数关系:Dcorr=A·cb。在安全系数[n]=1.5的服役可靠性条件下,预测FSW接头上表面的耐寿命为1934天,下表面为454天。
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