镁合金焊接接头耐腐蚀性能研究现状

崔建红，吴志生，弓晓园

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 前 言

镁是地壳中含量最丰富的元素之一，密度为1.75～1.85g/cm3，是目前密度最轻的金属结构材料之一，因其极佳的综合性能享有“21世纪的绿色工程金属结构材料”的美称[1～2]。但是镁合金的平衡电位为-2.7V，化学活性很高，易发生电化学腐蚀。镁合金表面形成的氧化膜疏松多孔，在大气、海洋等环境下对基体的保护能力差。镁合金中含有杂质元素及合金元素，在使用过程中易产生电偶腐蚀、应力腐蚀或疲劳腐蚀等[3]。镁合金表面的氧化膜多孔疏松，对基体没有良好的腐蚀保护作用[4]。焊接后镁合金由于其性质活泼、熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点使其在焊接过程中更易出现粗晶，形成低熔共晶体，与其他金属，同时产生热裂纹、热应力、气孔、蒸发、夹渣等问题[5]，这些缺陷易诱发或者加速镁合金焊接接头腐蚀。镁合金焊接接头腐蚀是金属结构失效的形式之一，随着镁合金结构件的增加，接头腐蚀引起更多的研究。本文对镁合金焊接接头腐蚀性能的国内外研究现状进行了综述，针对镁合金焊接接头腐蚀性能研究存在的问题与不足提出一些看法，并提出了进一步研究的建议。

1 镁合金焊接接头腐蚀性能国内外研究现状

Rong-Chang Zeng等[6]人开展了AM50镁合金搅拌摩擦焊接头腐蚀行为的研究。研究发现镁合金焊接后，由于焊接接头中发生晶粒细化，导致接头的腐蚀速率由95.1μA/cm2下降到22.2 μA/cm2，而电位则由-1553mV上升到-1520mV。焊接后，接头的耐腐蚀性能发生了明显上升。研究认为接头内部晶粒细化对于接头耐腐蚀性能的提高起到了决定性作用。

Bernhard Wielage等[7]人在镁合金-镁合金钎焊接头腐蚀行为的研究中，研究了采用Mg-A1-Zn作为钎料进行焊接的AZ31-AZ31镁合金接头的腐蚀行为。结果发现，焊接接头中间层主要由ZnMg,Mg5Zn2A12, Mg32(Zn,AI)49或MgZn2等组成，尽管这些相的腐蚀电位都比镁合金基体高，但是这些新相与镁合金保持了较好的电化学相容性。此外，阳极与阴极面积比相对合适(大阳极小阴极)，所以镁合金-镁合金钎焊后，接头腐蚀行为变化不大。

G.Ben-Hamu等[8]研究了AZ31B镁合金钨极氩弧焊接后接头组织变化与腐蚀行为之间的关系。采用焊接电压为8～11 V，脉冲电流为140A(100 ms)高电流，60A ( 200ms)低电流，焊接速度为4.0mm/s。焊接后，焊缝的晶粒尺寸由原来的8.12±3.22μm增加到111.27±38.01μm，同时焊接接头中出现了阴极相偏析现象。结果导致热影响区的电流密度由35.54μA /cm2增加到36.52μA /cm2，而焊缝电流密度则增加的更为明显，达到了74.64μA /cm2。氩弧焊焊接后，镁合金焊缝以及热影响区中的偏析相与接头的腐蚀行为有着密切的关系。

M.Ishak等[9]分别研究了添加和未添加银纳米微粒材料的镁合金AZ31B激光焊搭接接头的腐蚀行为。采用YAG激光焊接速度为550mm/s。焊接后，添加和未添加银纳米微粒材料的焊接接头均出现了晶粒细化的现象。激光焊接后，镁合金接头的腐蚀速率下降到母材的44%，而添加银纳米微粒材料后，腐蚀速率进一步下降到27%。研究认为，晶粒细化和晶界上的相起到阻碍接头腐蚀扩展的作用；而添加银纳米微粒材料的焊接接头，由于粒子的弥散作用，晶粒进一步细化，因而进一步降低镁固溶体的阳极化现象，结果使焊接接头耐腐蚀性能进一步提高。

马颖等[10]人对6 mm厚的AZ31B板材搅拌摩擦焊焊缝进行微弧氧化处理，研究焊缝的微观组织和微弧氧化前后的耐蚀性。实验结果表明接头的微观组织明显分为3个区域：焊核区、热机械影响区及热影响区，整个组织极不均匀，各组织内晶粒差别较大，其中焊核区晶粒最细小。盐水浸泡实验和电化学测试可知，微弧氧化处理前焊缝的耐蚀性比母材差，微弧氧化处理后，焊缝耐蚀性极大提高。搅拌摩擦焊焊接接头组织比母材细小，杂质和夹杂也都被搅碎并弥散分布，且没有了杂质和夹杂的阻碍，氧化膜生长更容易，微弧氧化膜厚度要明显高于母材的微弧氧化膜厚度。

赵红凯等[11]人研究了AZ31B镁合金变极性等离子弧加丝焊接组织及腐蚀行为。实验采用了8mm厚AZ31B镁合金轧制态板材和直径为2mm AZ31B镁合金焊丝。实验结果发现焊缝区有细小的等轴晶组成，与母材晶粒大小相当，无明显的晶粒长大迹象，没有出现过热组织，过渡区组织呈现出母材和焊缝的混合特征。盐雾试验48h以后试样清洗掉腐蚀产物后的腐蚀形貌发现母材腐蚀坑的数目要多于焊缝区域腐蚀坑的数目，并且腐蚀坑更大更深。中间焊缝区的腐蚀状况明显好于两侧母材的腐蚀，可见镁合金变极性等离子焊缝的耐蚀性强于母材。

葛茂忠等[12]人对AZ31镁合金TIG焊接件应力腐蚀性能进行了研究，测试镁合金母材及焊接件热影响区在质量分数为3.5%溶液中的动电位极化曲线，母材的自腐蚀电位和腐蚀电流分别为-1.459V、1.721×10-8A /cm3，焊接件热影响区的自腐蚀电位和腐蚀电流分别为-1.486V、2.434×10-8A /cm3，可知焊接后AZ31B镁合金焊接件在3.5%氯化钠溶液中的腐蚀倾向将有所增大。镁合金焊接件应力腐蚀试验后热影响区出现了许多微裂纹，裂纹横向扩展，并很快连接在一起，形成大的裂纹而断裂。AZ31B焊接件在去离子水中具有较高的应力腐蚀敏感性。

P.B.SRINIVASAN 等人[13]研究了AZ31镁合金激光自熔焊件的力学性能和应力腐蚀行为。腐蚀试验后发现母材的抗应力腐蚀性能比焊接接头略好。应力腐蚀裂纹从焊缝萌生，向热影响区扩展。用AZ61镁合金作为填料的焊接接头裂纹在热影响区萌生与扩展，由于铝含量增加焊缝强度和耐腐蚀性能提高，慢应变速率拉伸试验后发现应力腐蚀裂纹在氢氧化镁／氧化镁层形成局部损伤处生成。两种焊接接头的抗应力腐蚀性能比母材略差。可观察到应力腐蚀裂纹在焊缝萌生并向热影响区(HAZ)扩展。然而，在以AZ61镁合金为填料(焊料)获得的焊接接头中，观察到裂纹起源及扩展出现在热影响区(HAZ)。在慢应变速率拉伸试验中，由于试样表面暴露在腐蚀环境中，氢氧化镁／氧化镁层形成局部损伤，从而导致应力腐蚀裂纹的生成。

由上可知，镁合金的焊接工艺不同时，焊接接头的组织不同，耐腐蚀性能也不同，焊缝中的填充材料影响镁合金焊接接头的耐腐蚀性能。

2 焊接接头腐蚀机理与改善

镁合金本身电极电位低，易腐蚀，在焊接后微观组织发生、接头成分发生变化，使得接头的腐蚀机制变得复杂。接头组织中主要有α基体相和晶界处的β相，β相既可以阻碍镁合金的腐蚀，也可以充当阴极而加速镁合金的腐蚀。当β相在镁合金焊接接头中含量增加并弥散分布在基体时，α基体相开始腐蚀后生成比较致密的氧化膜层，该膜层阻碍了腐蚀的进展；β相不呈网状分布时，β相就充当阴极加速镁合金的腐蚀。吴志生等人[14]开展了深冷处理对AZ31镁合金耐腐蚀影响的研究，采用合适的深冷处理工艺可以使晶粒细化，改善第二相的分布，控制第二相的含量，可以提高镁合金的耐腐蚀性能。

镁合金焊接件在受到外加应力和残余应力时发生塑性变形，在接头微小区域产生滑移台阶，滑移台阶的高度大于镁合金焊接件表面钝化膜的厚度后钝化膜破裂，在腐蚀介质中钝化膜金属与母体金属形成电化学反应的阴阳极，腐蚀微电池在阳极附近迅速溶解形成蚀坑，应力促进微电池反应最终形成应力腐蚀开裂。可在焊缝区的表面形成纳米强化层，减少表面的滑移带和晶界以及晶界上的位错塞积所引起的应力集中，消除表面各种缺陷，有利于耐腐蚀性能的提高[15]。

稀土元素加入镁合金后可以细化α基体相和晶界处的β相，较小面积的阴极β相与镁合金中杂质结合，杂质降低的阴极极性使得电化学反应减慢，接头耐腐蚀性能提高。稀土加入镁合金后，容易与氧在镁合金表面生成致密的稀土氧化物，该化合物化学性质不活泼，在镁合金表面可以起到钝化作用，有利于耐腐蚀性能提高；含有稀土的镁合金在腐蚀过程中腐蚀电流减小，容抗增加，电阻增大，阴极β相析氢变得困难，耐腐蚀性能提高。基于此，可以研制含有稀土镁合金的镁合金焊丝，改善焊缝组织，提高焊接接头耐腐蚀性能。

3 结 论

目前尽管镁合金的耐腐蚀性能研究的比较成熟，但是对镁合金焊接接头耐腐蚀性的研究报道不多，镁合金焊接接头微观结构及其腐蚀机制之间的关系没有系统化，没有形成成熟的腐蚀理论。由于镁合金本身具有性质活泼、导热快、熔点低、热膨胀系数等特点，接头热影响区会发生晶粒粗大，接头组织中不可避免会出现夹杂和气孔等缺陷，这些缺陷与接头不同组织对腐蚀过程的影响研究的很少。

镁合金焊接接头在腐蚀过程中涉及腐蚀介质、温度以及溶液的酸碱性，甚至焊接接头本身的应力，使得接头的腐蚀研究复杂化，严重影响腐蚀数据的可靠性能与准确性。掌握接头各种情况下的腐蚀数据，有利于建立复杂情况下腐蚀数据库。

镁合金焊接件作为结构材料已经在各个领域广泛应用，但是镁合金焊接接头耐腐蚀性能的研究还处在起始阶段。现在许多镁合金焊接接头耐腐蚀性的研究都是基于镁合金腐蚀的研究，研究成果没有实质性的创新成果。焊接接头采取的改善措施类似于镁合金的改善措施，在耐腐蚀性能的提升上有局限性。由于接头位置的特殊性，适应于镁合金接头表面激光处理、离子注入的先进表面处理技术没有大量的采用，接头表面微晶化和纳米化在提高耐腐蚀性能方面也鲜有报道。随着科技的发展，除了通过改变焊接接头组织提高镁合金焊接接头耐腐蚀性以外，可以采用高效、无毒、无污染的各种表面技术来提高镁合金焊接接头的耐腐蚀性能，如表面复合纳米化、激光重熔等。

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