高速列车A7N01S-T5铝合金焊接接头晶间腐蚀性能研究

王晓敏，苟国庆，刘 艳，陈 辉，孟立春

(1.西南交通大学 生命科学与工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031；3.南车四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

高速列车A7N01S-T5铝合金焊接接头晶间腐蚀性能研究

王晓敏1，苟国庆2，刘 艳2，陈 辉2，孟立春3

(1.西南交通大学 生命科学与工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031；3.南车四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

研究高速列车A7N01S-T5铝合金母材及焊接接头的晶间腐蚀行为，测定和观察腐蚀失重、硬度变化、断面和表面形貌。结果表明，在含氯的腐蚀介质中，焊接接头的腐蚀速率高于母材，热影响区是接头腐蚀最为严重的区域，腐蚀沿晶界扩展，形成网状裂纹。焊接热输入使热影响区的富锌强化相沿晶界连续析出，其电位最低因而成为腐蚀电池的阳极，不断发生电化学反应而溶解，导致晶界成为腐蚀的阳极活性通道，使腐蚀沿不断向金属内部发展。

高速列车；A7N01S-T5铝合金；焊接接头；晶间腐蚀

0 前言

高速列车速度的不断提升，不仅要求车体材料轻量化，而且对材料的强度性能要求也越来越高。A7N01是铝镁锌系合金，具有良好的挤压性和焊接性，因添加了MgZn2强化相而具有较好的强度，是最为理想的中强焊接结构材料，在高速列车车体材料中有着广泛的应用，主要用于车体的端面梁、车端缓冲器、底座、侧面构件骨架、车架枕梁等重要承重部件[1]。A7N01铝合金提高了Zn、Mg含量，虽然抗拉强度和硬度得以提高，但也导致耐腐蚀性能降低[2-4]。在焊接结构中，焊接接头一般被认为是薄弱环节，其强度、塑性和韧性等很难做到与母材相当，同时，其耐腐蚀性能也低于母材[5-7]。高速列车由于运行环境复杂，耐腐蚀性是对其焊接结构的一个重要要求，焊接接头耐腐蚀性的降低将导致焊接结构整体疲劳性能的降低，从而影响列车运行的安全性和使用寿命。

据文献报道，高强铝合金的腐蚀易发生在晶粒间，尤其是在受力的情况下，腐蚀易沿晶界扩展，因而7000系铝合金的晶间腐蚀是其大气腐蚀的主要形式[8-9]。焊接接头在焊接热输入的影响下，晶界的化学性质与晶粒内部差别加大，更容易发生晶间腐蚀。另外，焊接接头具有不均质性，焊缝区和热影响区的组织和形貌不同，其腐蚀程度也不同。巩发彤等人对6005铝合金焊接接头进行了晶间腐蚀实验研究，表明焊缝区的腐蚀程度高于母材区[10]；文献[11]表明AA7075-T651合金、AA7075-T6合金腐蚀主要发生在焊接接头的热影响区域，文献[12]表明AA2024-T3和AA2195合金焊缝区域腐蚀性能与母材相当，那么A7N01焊接接头对晶间腐蚀最为敏感的是焊缝区还是热影响区，是一个值得研究的问题，这对于7N01焊接工艺的调整、焊接结构疲劳寿命的预测等具有重要的意义。在此采用晶间腐蚀试验对A7N01S-T5铝合金焊接接头的腐蚀行为进行了研究，比较母材和焊接接头的腐蚀失重、接头腐蚀前后的硬度变化，考察焊接接头的腐蚀形貌，并比较分析接头焊缝区和热影响区的腐蚀。

1 试验

A7N01S-T5采用11 mm厚的型材和φ 1.6 mm的ER5356焊丝，焊接工艺为双脉冲MIG焊。母材及焊丝的化学成分如表1所示，焊接工艺参数如表2所示，焊接接头可见明显的均匀鱼鳞纹，成形美观，焊接与两侧母材熔合良好，未出现咬边、未熔合和未焊透等缺陷。

表1 A7N01S-T5铝合金母材及E5356焊丝化学成分%

表2 焊接工艺参数

将母材试样(7B)和焊接接头试样(7W)加工为尺寸40 mm×25 mm×h(厚度h＜10 mm)，每个试样均有三个平行样。试样先用丙酮、乙醇等擦净表面油污，然后在室温下将其浸入10%NaOH溶液5～15 min，再浸入30%硝酸溶液中，直到表面光洁。取出试样、洗净后浸入3%NaCl+1%HCl，试样表面积与实验溶液体积的比值小于0.05 mL／mm2，保持35℃±1℃，腐蚀48 h后将试样取出后洗净，按GB／T 16545-1996清除腐蚀产物。

2 结果与讨论

2.1 宏观形貌

母材7B和焊接接头7W腐蚀48 h后的宏观形貌如图1所示。7B腐蚀后试样表面发黑，且黑色纹路沿轧制方向分布。7W清除腐蚀产物前发现热影响区被黑色腐蚀产物覆盖，腐蚀产物在此处积累，体积膨胀，沿晶界产生与材料表面的垂直于焊缝方向、与法线方向一致的应力。随着腐蚀的进行，应力越来越大，使与基体失去结合的晶粒向外鼓起，最终呈层状剥落，清除腐蚀产物后可见。焊缝区和熔合区的腐蚀程度明显不同，熔合线清晰可见，熔合区剥落腐蚀较严重。

2.1 腐蚀失重

取清除腐蚀产物后最终质量为试样腐蚀后质量，记为W，将其与试样腐蚀前质量W0和试样表面积S相比，得试样腐蚀失重(见表3)

由表3可知，7W的腐蚀失重大于7B，平行样之间的标准偏差均较小。晶间腐蚀液中的氯离子是引起A7N01-T4铝合金腐蚀的重要原因，Cl-通过竞争吸附，逐渐取代表面氧化膜中的OH-，生成可溶性的AlCl3而进入溶液中，导致试样质量减小。失重越多表明腐蚀程度越大，因而由失重数据可知，A7N01S-T5焊接接头的腐蚀程度大于母材。

2.2 硬度

A7N01S-T5焊接接头腐蚀前后的硬度分布如图2所示，腐蚀后焊接接头硬度值与腐蚀前各个区域硬度值的变化趋势相同，焊缝区均为硬度最低的区域。但腐蚀后各个区域硬度值均低于腐蚀前，腐蚀后焊缝区硬度值最低为45 HV，母材区硬度降低幅度大于焊缝区。腐蚀前后焊接接头的硬度变化表明，晶间腐蚀会降低焊接接头硬度，随着时间的延长，腐蚀由表面向材料内部扩展加深，导致晶粒间的结合力大大降低，从而降低材料的强度和塑性，影响材料的使用寿命。

图1 A7N01S-T5母材及焊接接头晶间腐蚀宏观形貌

表3 母材及焊接接头腐蚀失重

图2 A7N01S-T5焊接接头腐蚀前后硬度分布

2.3 腐蚀形貌

食用向日葵是内蒙古重要的经济作物。空壳率高是影响向日葵产量的主要因素，提高向日葵耕作栽培水平，降低空壳率提高产量是目前急需解决的问题[1]。油菜上的研究发现，深松措施对籽粒性状的建成有积极的意义[2]。魏姗姗[3]的研究表明，合理的栽培措施能促进玉米群体与个体功能协同增益的同时，还能调节植株个体与群体间的矛盾，提高籽粒灌浆能力。

腐蚀48 h后，母材及焊接接头的断面金相形貌如图3所示。整体上焊接接头焊缝区腐蚀程度最大，由于受焊接热影响作用，焊接接头母材区比母材的腐蚀程度大，而焊接接头的焊缝区和热影响区腐蚀程度大于母材区。其中焊接接头的热影响区可明显看到腐蚀裂纹相互连接成网状，是典型的晶间腐蚀裂纹形貌，裂纹由试样表面向内部延伸至超过100 μ m，可见焊接接头的热影响区对晶间腐蚀非常敏感。

为进一步比较焊接接头不同区域对晶间腐蚀的敏感程度，对试样表面进行了激光共聚焦观察，并分析腐蚀坑的深度和面积率。

母材及焊接接头表面的LCSM形貌如图4所示。由图4可知，母材及焊接接头不同区域的表面都有蚀坑分布，但三维图像显示，母材及接头不同区域的腐蚀程度有所不同。对蚀坑深度和蚀坑所占面积比例进行测量(见表4)，焊接接头的腐蚀程度大于母材，而接头热影响区的蚀坑深度和蚀坑面积率均大于焊缝区，是A7N01-T5焊接接头腐蚀最严重的区域。

表4 A7N01S-T5母材及焊接接头表面蚀坑深度及蚀坑面积率

由于高速列车用A7N01大型挤压型材为热处理强化铝合金，焊后一般不再进行任何形式的热处理。然而MIG焊需要提供很高的热量，焊接过程中所输入的热量实质上是在对焊接区域进行着一个特殊的热处理过程，使部分熔化的母材和焊丝材料在经历化学冶金过程后形成焊缝区，而邻近的热影响区则经历近似于热处理的物理冶金过程，这导致了热影响区的晶粒粗化，同时强化相MgZn2由于过时效而在晶界偏析，一方面削弱了对合金的强化作用，另一方面在晶界聚集粗化的强化相粒子降低了晶界的结合能[13-15]。

图3 A7N01S-T5铝合金母材及焊接接头晶间腐蚀断面金相显微形貌

铝合金晶间腐蚀机制的一种基本观点是晶界的析出物与周围的电极存在电位差，聚集在晶界处的这些活化相优先溶解而发生晶间腐蚀[16]。在A7N01ST5焊接接头热影响区晶界偏析的Zn2Mg(η相)电位为-0.86 V，强化相偏析的同时在晶粒边界形成了电位为-0.57 V的贫合金元素(Mg，Zn)区，而晶粒本体为固溶体，电位为-0.68 V[17]，三者形成多电极的腐蚀微电池，由于Zn2Mg电位最负，在微电池里成为阳极，优先发生溶解。沿晶界连续分布的富锌相不断发生电化学反应而溶解，导致晶界成为腐蚀的阳极活性通道，使腐蚀沿不断向金属内部发展。

腐蚀液中含有的Cl-半径小，是活性非常高的离子。Cl-首先在铝合金表面的活性位置如氧化膜不完整、材质不均匀处发生吸附，吸附的离子与氧化膜的化学反应导致氧化膜的减薄、破裂和铝的溶解，形成Al(OH)3、AlCl3等腐蚀产物，酸性的腐蚀介质也促使了Al的溶解，加速腐蚀的进行，结构疏松的腐蚀产物堆积在材料表面，其中的孔洞进一步成为Cl-的活性通道。同时，A7N01S-T5热影响区晶界富锌相的溶解在晶界形成通道，使Cl-易于向基体内部渗透,导致腐蚀向金属内部扩展，由于金属内部闭塞导致pH值下降，Cl-富集，腐蚀便进一步向深处发展，导致热影响区发生严重的晶间腐蚀。

3 结论

(1)A7N01-T5焊接接头的腐蚀速率大于其母材。

(2)A7N01-T5焊接接头的晶间腐蚀在热影响区最为严重，主要是由于在焊接热作用影响下，MgZn2强化相在晶界上偏析连续分布，与晶粒基体及贫合金元素区形成腐蚀微电池，其电位最低，作为阳极优先被腐蚀，导致晶界腐蚀在热影响区的发生和发展。

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图4 A7N01S-T5母材及焊接接头腐蚀后的LCSM形貌

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Research on the intergranular corrosion of welding joint of A7N01S-T5 Al-Alloy for high-speed train

WANG Xiao-min1，GOU Guo-qing2，LIU Yan2，CHEN Hui2，MENG Li-chun3
(1.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.CSR Qingdao Sifang Co.,Ltd.，Qingdao 266111，China)

This paper studied the intergranular corrosion property of A7N01-T5 Al-alloy and its welding joint.The weight loss，hardness change and morphology of section and surface after corrosion were tested.The result showed that the corrosion rate of welding joint was higher than that of the base，the heat affected zone(HAZ)was corroded severely and the corrosion extended along grain boundary and connected as network.Zn2Mg strengthening phase of HAZ segregated continuously along grain boundary under the affected of heat-input of welding.This zinc-rich phase was anode in corrosion cell for its low potential and this made it dissolve preferentially thus forming active corrosion route along grain boundary，which made further corrosion develop into inner alloy.

high speed train；A7N01S-T5 aluminum alloy；welded joint；intergranular corrosion

TG457.14

A

1001-2303(2011)11-0015-06

2011-07-25；

2011-08-12

国家科学支撑计划资助项目(2009BAG12A07)

王晓敏(1975—)，女，河南濮阳人，讲师，博士，主要从事铝合金焊接腐蚀的研究工作。