一種提高熱處理強化鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面抗腐蝕性的方法與流程
2023-05-29 13:51:46
本發明涉及金屬結構表面抗腐蝕技術領域，特別涉及一種提高熱處理強化鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面抗腐蝕性的方法。
背景技術：
金屬材料在使用中受到自身特性、服役及環境條件等因素的影響，材料表面往往存在影響其使用壽命的情況出現，例如氧化、腐蝕、斷裂等。其中航空結構材料中常用的2000或7000系列硬鋁或超硬鋁，不僅自身材料表面抗腐蝕性差，焊接後其焊縫表面的抗腐蝕性會更差，極大影響使用壽命和應用潛力。近年來攪拌摩擦焊(FSW)已經被廣泛應用於各種鋁合金材料結構的連接，但部分研究發現焊縫截面區的焊核區(NZ)、熱影響區(HAZ)、熱-機械影響區(TMAZ)以及焊縫表面區(上部軸肩區)的腐蝕性下降極為明顯，現在還沒有很好的處理方法來解決FSW焊縫表面腐蝕性下降的問題。針對材料表面腐蝕性降低而通常採用的處理方法主要是整體或局部熱處理以及強化等方法來解決，例如噴丸、熱噴塗、化學沉積、氣相沉積、雷射及電子束衝擊等。但上述方法如果用於鋁合金焊縫表面提高腐蝕性，會嚴重影響整體材料結構的組織性能，甚至採用高溫或高能束加工方法會造成表面強化層過厚、晶粒粗大、脆性組織等缺陷，對鋁合金攪拌摩擦焊接頭的結構強度和使用壽命均會產生不利的影響。
技術實現要素：
本發明是為了彌補現有技術的不足，提供了一種提高熱處理強化鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面抗腐蝕性的方法，該方法能夠促使鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面區抗腐蝕性能提高，快速高效、成本低。
本發明所述的一種提高熱處理強化鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面抗腐蝕性的方法，其具體步驟為：
(1)以2000或7000系高強變形鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊縫區作為被加工區域，在所述焊縫區域開設槽-孔交替分布結構，向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和Se+Bi粉末的混合物；向上述的孔中加入Se+Bi粉末，並進行固化處理；
(2)利用攪拌摩擦設備對上述槽-孔區域進行攪拌摩擦加工，其中，攪拌摩擦加工參數為：攪拌工具的轉速為800-1200r/min、下壓量為0.6mm、行進速度為190-250mm/min。
之所以選用2000或7000系列高強度變形鋁合金攪拌摩擦焊接頭的焊縫區作為被加工試樣，是因為這兩類系列的鋁合金在使用過程中，尤其是焊接後其焊縫表面耐腐蝕性相比其他系列鋁合金會急劇降低，因此主要解決的是這兩類鋁合金焊縫腐蝕性較差的問題。
在所述焊縫區域開設槽-孔的基本設計主要考慮攪拌摩擦過程中存在一定的金屬損失，因此大致在每100mm長度焊縫上開2-3個孔，其他剩餘區域為槽，槽的尺寸為1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。
向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和Se+Bi粉末的混合物；向上述的孔中加入Se+Bi粉末，是因為Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和/或Se+Bi粉末與基體材料具有較好相容性，能起到一定的金屬補充作用以及強化作用，形成二次塑性變形加工區，進而提高其抗腐蝕性能。
本發明中採用的攪拌摩擦加工技術來源於現有的攪拌摩擦焊技術。其原理是通過攪拌摩擦加工設備的攪拌頭的強烈攪拌作用使被加工材料發生劇烈塑性變形、混合、破碎，實現微觀結構的緻密化、均勻化和固態相變。此時在Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和/或Se+Bi粉末與被加工焊縫表面區金屬之間會發生強烈的相變或部分冶金反應，促使接頭焊縫表面附近獲得顯著足夠的能大幅度提高其抗腐蝕性能的相變組織，實現提高高強度鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊縫區抗腐蝕性能的目的。
本發明中，之所以選用Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和/或Se+Bi粉末提高接頭焊縫區的抗腐蝕性能，是因為：1、Al86-Ni10-Ce6非晶態合金本身具有良好的耐腐蝕性，也是本發明中起到主要耐腐蝕性的強化因子，並且其成分接近於鋁合金焊縫基體成分，其晶化溫度也較低，大概為270℃；2、選用Se和Bi主要是兩者熔點Se為220℃，Bi為271℃，均與非晶態合金相近，利於在攪拌摩擦加工中熔化，並且進入到焊縫表面金屬中，與其中的主要影響焊縫耐腐蝕性的元素Cu形成Cu-Se和Cu-Bi化合物，降低Cu與Al形成降低抗腐蝕性的化合物的可能性，例如Al2Cu化合物會分布於晶粒和晶界附近，導致點腐蝕。
本發明之所以採用槽-孔交替分布結構並且在槽和孔中添加特定的成分，是因為槽的總的體積是最大的，而孔在被加工區域的體積佔比較低，在槽中主要是依靠添加Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末來起到主要的提高腐蝕性能作用，而在攪拌加工過程中由於會造成一定的添加混合物和金屬的損失，尤其是Se和Bi熔點極低，而Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末會經歷晶化和熔化兩個過程，其損失會較少，進而可能導致Se和Bi金屬的量達不到預期的添加效果，因此在孔中添加少量的Se+Bi粉末起到一定的間斷性的補充作用。
本發明中，Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末與Se+Bi粉末的體積比為3:2，採用上述配比，能夠更好的發揮非晶態合金的提高腐蝕性的作用，並且也能通過後者的冶金結合作用抑制Cu的不利影響。
所述的Se+Bi粉末中，Se與Bi的體積比為1:1。上述強化因子組合中涉及的晶化或熔化溫度範圍均處於攪拌摩擦加工的溫度範圍以內，利於強化因子充分地進行晶化、熔化及其微冶金結合過程。
為了便於強化因子在攪拌摩擦加工中更好地被分散到焊縫表面中並與之充分反應，所述強化因子中Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末顆粒度為40-60目、Se+Bi粉末顆粒度為5-6目。
本發明中，Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和Se+Bi粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區體積的5～10％。填加量過多會造成加工的基本失效，促使形成大量以強化因子為主的焊縫表面，結果導致點腐蝕的存在；填加量過少將不利於形成更加細小的表面組織出現，也起不到提高腐蝕性的目的。
向上述的槽-孔中分別填入強化因子後採用低溫快速蒸髮型有機噴霧溶膠進行固化處理。
當採用攪拌摩擦設備對上述填加有強化合金粉末的槽-孔區域進行攪拌摩擦加工時，攪拌摩擦加工參數為：攪拌工具的轉速為800-1200r/min、下壓量為0.6mm、行進速度為190-250mm/min。攪拌工具速度控制在此範圍主要考慮讓強化因子混合粉末能夠有效的與焊縫基體材料進行充分的冶金結合，如果速度高於此範圍不僅會造成加工區域大面積溫度進一步升高造成強化相的溶解，導致其腐蝕性降低問題，還會降低攪拌頭的使用壽命，可能會導致攪拌頭斷針問題。如果低於該範圍，攪拌頭給與焊縫基體的熱輸入會不足，造成大量的混合強化材料以原始狀態存在於焊縫表面，也會造成點腐蝕等問題。
本發明的有益效果是：本發明通過已獲得的鋁合金FSW焊縫表面區域，通過合理設計填加強化合金粉末，並通過二次攪拌摩擦加工使強化合金粉末在較低溫度、大塑性變形條件下分散分布於焊縫表面及表面以下較淺區域，並與焊縫表面及表面下微區金屬發生顯著的相變過程或部分冶金反應，實現在焊縫表面及表面下微區範圍內，形成具有與原焊縫表面相比較高的抗腐蝕性能。同時本發明的方法是與獲得原焊縫方法相同的固態加工方法，可有效降低生產成本，並能有效避免環境汙染，加工過程簡單且不需要複雜的操作和控制。本發明主要對攪拌摩擦焊縫表面組織改性，促進表面抗腐蝕性方面提供了一個新的、可行的方法，克服了其他表面處理方法因成本、熔化過程等帶來的種種不利的影響。
附圖說明
圖1是本發明具體實施例中提高焊縫抗腐蝕性攪拌摩擦加工區域及其操作示意圖，圖中：1、FSW焊縫區；2、槽；3、孔；4、拌針；5、軸肩；6、鋁合金板材。
具體實施方式
實施例1
本實施例是以2024變形鋁合金攪拌摩擦焊接頭作為被加工試板，在焊縫區1中開槽+孔複合結構，形成複合加工區。向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和(Se+Bi)粉末的混合物，向上述孔中加入(Se+Bi)粉末，並進行固化處理；然後利用攪拌摩擦設備進行二次表面攪拌摩擦加工。
其中：
所述的槽-孔交替分布結構具體是指每100mm長度焊縫上開3個孔，其他剩餘區域為槽，槽的尺寸為1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。
Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區體積的5％。
Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末與(Se+Bi)粉末的體積比為3:2。
所述的Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末顆粒度為40-60目，(Se+Bi)粉末顆粒度為5-6目。
所述的(Se+Bi)粉末中，Se與Bi的體積比為1:1。
本實施例中，所採用的攪拌摩擦工具為現有技術。本實施例中所採用的變形鋁合金為2024變形鋁合金，或採用其他的變形鋁合金，例如2A12鋁合金。
具體加工時，攪拌摩擦工具固定在被加工焊縫區1上方，被加工FSW接頭焊縫被固定後，攪拌摩擦工具在被加工焊縫槽-孔複合加工區上面以轉速800～1200r/min高速旋轉地接觸被加工區表面，以10MPa的下壓力壓入複合加工區，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留3s後，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時，攪拌摩擦工具再以250mm/min的速度從槽-孔部位，即填加了Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工區域2和3上壓過，則在被加工區2和3上形成一道新的攪拌摩擦加工複合層區。為了保證焊縫大面積區域均被進行二次複合加工處理，攪拌頭軸肩5直徑應大於被加工焊縫寬度的2％左右。
通過對上述實施例得到的材料進行取樣試驗，發現經過二次攪拌摩擦複合加工後，焊縫區表面耐腐蝕性得到了顯著的提高，其性能指標如表1所示。
表1說明：電化學腐蝕結果中腐蝕電流密度是代表材料表面耐腐蝕性重要參數，腐蝕電流密度越小，其抗腐蝕性越高。表中原始焊縫為未經過二次攪拌摩擦加工處理的2024鋁合金FSW焊縫。
表1 2024鋁合金FSW接頭焊縫表面二次攪拌摩擦加工電化學腐蝕結果
實施例2
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於：Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區體積的10％。攪拌工具的行走速度為190mm/min。具體加工時，攪拌摩擦工具固定在被加工焊縫區1上方，被加工FSW接頭焊縫被固定後，攪拌摩擦工具在被加工焊縫槽-孔複合加工區上面以轉速800～1200r/min高速旋轉地接觸被加工區表面，以10MPa的下壓力壓入複合加工區，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留3s後，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時，攪拌摩擦工具再以190mm/min的速度從開槽-孔部位，即填加了Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工區域2和3上壓過，則在被加工區2和3上形成一道新的攪拌摩擦加工複合層區。為了保證焊縫大面積區域均被進行二次複合加工處理，攪拌頭軸肩5直徑應大於被加工焊縫寬度的2％左右。
通過對上述實施例得到的材料進行取樣試驗，發現經過二次攪拌摩擦複合加工後，焊縫區表面耐腐蝕性得到了顯著的提高，其性能指標如表2所示。
表2 2024鋁合金FSW接頭焊縫表面二次攪拌摩擦加工電化學腐蝕結果
本實施例中設計實驗結果說明見實施例1，在此不再贅述。
實施例3
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於：本實施例中，進行二次攪拌摩擦加工處理的鋁合金FSW接頭焊縫來自於7050高強鋁合金；此外攪拌摩擦工具在被加工的焊縫表面複合加工區2和3上面以轉速900～1200r/min高速旋轉地接觸被加工區的表面，以15MPa的下壓力壓入複合加工區2和3的表面，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留5s後，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時，攪拌摩擦工具再以250mm/min的速度從開槽-孔部位上壓過，最終在被加工的焊縫表面形成二次攪拌摩擦複合加工層。本實施例中所採用的變形鋁合金為7050變形鋁合金，或採用其他的變形鋁合金亦可，例如7A52鋁合金。
通過對上述實施例獲得的材料進行取樣試驗，發現經過二次攪拌摩擦複合加工後，焊縫區表面耐腐蝕性也得到顯著提高，其性能指標如表3所示。
表3 7050鋁合金FSW接頭焊縫表面二次攪拌摩擦加工電化學腐蝕結果
本實施例中設計實驗結果說明見實施例1，在此不再贅述。
實施例4
本實施例與實施例1基本相同，不同之處在於：本實施例中，進行二次攪拌摩擦加工處理的鋁合金FSW接頭焊縫來自於7050高強鋁合金；Al86-Ni10-Ce6非晶態合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區體積的10％。此外攪拌摩擦工具在被加工的焊縫表面複合加工區2和3上面以轉速900～1200r/min高速旋轉地接觸被加工區的表面，以15MPa的下壓力壓入複合加工區2和3的表面，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留5s後，待攪拌摩擦工具附近的基體材料充分軟化時，攪拌摩擦工具再以190mm/min的速度從開槽-孔部位上壓過，最終在被加工的焊縫表面形成二次攪拌摩擦複合加工層。本實施例中所採用的變形鋁合金為7050變形鋁合金，或採用其他的變形鋁合金亦可，例如7A52鋁合金。
通過對上述實施例獲得的材料進行取樣試驗，發現經過二次攪拌摩擦複合加工後，焊縫區表面耐腐蝕性也得到一定的提高，其性能指標如表4所示。
表4 7050鋁合金FSW接頭焊縫表面二次攪拌摩擦加工電化學腐蝕結果
本實施例中設計實驗結果說明見實施例1，在此不再贅述。