CN106141422A - 一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属结构表面抗腐蚀技术领域，特别涉及一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法。本发明在已获得的铝合金FSW焊缝表面区域，通过开设槽‑孔交替分布结构并向其中填加Al86‑Ni10‑Ce6非晶态合金粉末和/或Se+Bi粉末，通过二次搅拌摩擦加工使Al86‑Ni10‑Ce6非晶态合金粉末和/或Se+Bi粉末在较低温度、大塑性变形条件下分散分布于焊缝表面及表面以下较浅区域，并与焊缝表面及表面下微区金属发生显著的相变过程或部分冶金反应，实现在焊缝表面及表面下微区范围内，形成具有与原焊缝表面相比较高的抗腐蚀性能。

Description

一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的 方法
技术领域
本发明涉及金属结构表面抗腐蚀技术领域，特别涉及一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法。
背景技术
金属材料在使用中受到自身特性、服役及环境条件等因素的影响，材料表面往往存在影响其使用寿命的情况出现，例如氧化、腐蚀、断裂等。其中航空结构材料中常用的2000或7000系列硬铝或超硬铝，不仅自身材料表面抗腐蚀性差，焊接后其焊缝表面的抗腐蚀性会更差，极大影响使用寿命和应用潜力。近年来搅拌摩擦焊(FSW)已经被广泛应用于各种铝合金材料结构的连接，但部分研究发现焊缝截面区的焊核区(NZ)、热影响区(HAZ)、热-机械影响区(TMAZ)以及焊缝表面区(上部轴肩区)的腐蚀性下降极为明显，现在还没有很好的处理方法来解决FSW焊缝表面腐蚀性下降的问题。针对材料表面腐蚀性降低而通常采用的处理方法主要是整体或局部热处理以及强化等方法来解决，例如喷丸、热喷涂、化学沉积、气相沉积、激光及电子束冲击等。但上述方法如果用于铝合金焊缝表面提高腐蚀性，会严重影响整体材料结构的组织性能，甚至采用高温或高能束加工方法会造成表面强化层过厚、晶粒粗大、脆性组织等缺陷，对铝合金搅拌摩擦焊接头的结构强度和使用寿命均会产生不利的影响。
发明内容
本发明是为了弥补现有技术的不足，提供了一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，该方法能够促使铝合金搅拌摩擦焊接头表面区抗腐蚀性能提高，快速高效、成本低。
本发明所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其具体步骤为：
(1)以2000或7000系高强变形铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝区作为被加工区域，在所述焊缝区域开设槽-孔交替分布结构，向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和Se+Bi粉末的混合物；向上述的孔中加入Se+Bi粉末，并进行固化处理；
(2)利用搅拌摩擦设备对上述槽-孔区域进行搅拌摩擦加工，其中，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为800-1200r/min、下压量为0.6mm、行进速度为190-250mm/min。
之所以选用2000或7000系列高强度变形铝合金搅拌摩擦焊接头的焊缝区作为被加工试样，是因为这两类系列的铝合金在使用过程中，尤其是焊接后其焊缝表面耐腐蚀性相比其他系列铝合金会急剧降低，因此主要解决的是这两类铝合金焊缝腐蚀性较差的问题。
在所述焊缝区域开设槽-孔的基本设计主要考虑搅拌摩擦过程中存在一定的金属损失，因此大致在每100mm长度焊缝上开2-3个孔，其他剩余区域为槽，槽的尺寸为1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。
向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和Se+Bi粉末的混合物；向上述的孔中加入Se+Bi粉末，是因为Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和/或Se+Bi粉末与基体材料具有较好相容性，能起到一定的金属补充作用以及强化作用，形成二次塑性变形加工区，进而提高其抗腐蚀性能。
本发明中采用的搅拌摩擦加工技术来源于现有的搅拌摩擦焊技术。其原理是通过搅拌摩擦加工设备的搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和固态相变。此时在Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和/或Se+Bi粉末与被加工焊缝表面区金属之间会发生强烈的相变或部分冶金反应，促使接头焊缝表面附近获得显著足够的能大幅度提高其抗腐蚀性能的相变组织，实现提高高强度铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝区抗腐蚀性能的目的。
本发明中，之所以选用Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和/或Se+Bi粉末提高接头焊缝区的抗腐蚀性能，是因为：1、Al86-Ni10-Ce6非晶态合金本身具有良好的耐腐蚀性，也是本发明中起到主要耐腐蚀性的强化因子，并且其成分接近于铝合金焊缝基体成分，其晶化温度也较低，大概为270℃；2、选用Se和Bi主要是两者熔点Se为220℃，Bi为271℃，均与非晶态合金相近，利于在搅拌摩擦加工中熔化，并且进入到焊缝表面金属中，与其中的主要影响焊缝耐腐蚀性的元素Cu形成Cu-Se和Cu-Bi化合物，降低Cu与Al形成降低抗腐蚀性的化合物的可能性，例如Al2Cu化合物会分布于晶粒和晶界附近，导致点腐蚀。
本发明之所以采用槽-孔交替分布结构并且在槽和孔中添加特定的成分，是因为槽的总的体积是最大的，而孔在被加工区域的体积占比较低，在槽中主要是依靠添加Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末来起到主要的提高腐蚀性能作用，而在搅拌加工过程中由于会造成一定的添加混合物和金属的损失，尤其是Se和Bi熔点极低，而Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末会经历晶化和熔化两个过程，其损失会较少，进而可能导致Se和Bi金属的量达不到预期的添加效果，因此在孔中添加少量的Se+Bi粉末起到一定的间断性的补充作用。
本发明中，Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末与Se+Bi粉末的体积比为3:2，采用上述配比，能够更好的发挥非晶态合金的提高腐蚀性的作用，并且也能通过后者的冶金结合作用抑制Cu的不利影响。
所述的Se+Bi粉末中，Se与Bi的体积比为1:1。上述强化因子组合中涉及的晶化或熔化温度范围均处于搅拌摩擦加工的温度范围以内，利于强化因子充分地进行晶化、熔化及其微冶金结合过程。
为了便于强化因子在搅拌摩擦加工中更好地被分散到焊缝表面中并与之充分反应，所述强化因子中Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末颗粒度为40-60目、Se+Bi粉末颗粒度为5-6目。
本发明中，Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和Se+Bi粉末的总填加量为被加工接头焊缝区体积的5～10％。填加量过多会造成加工的基本失效，促使形成大量以强化因子为主的焊缝表面，结果导致点腐蚀的存在；填加量过少将不利于形成更加细小的表面组织出现，也起不到提高腐蚀性的目的。
向上述的槽-孔中分别填入强化因子后采用低温快速蒸发型有机喷雾溶胶进行固化处理。
当采用搅拌摩擦设备对上述填加有强化合金粉末的槽-孔区域进行搅拌摩擦加工时，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为800-1200r/min、下压量为0.6mm、行进速度为190-250mm/min。搅拌工具速度控制在此范围主要考虑让强化因子混合粉末能够有效的与焊缝基体材料进行充分的冶金结合，如果速度高于此范围不仅会造成加工区域大面积温度进一步升高造成强化相的溶解，导致其腐蚀性降低问题，还会降低搅拌头的使用寿命，可能会导致搅拌头断针问题。如果低于该范围，搅拌头给与焊缝基体的热输入会不足，造成大量的混合强化材料以原始状态存在于焊缝表面，也会造成点腐蚀等问题。
本发明的有益效果是：本发明通过已获得的铝合金FSW焊缝表面区域，通过合理设计填加强化合金粉末，并通过二次搅拌摩擦加工使强化合金粉末在较低温度、大塑性变形条件下分散分布于焊缝表面及表面以下较浅区域，并与焊缝表面及表面下微区金属发生显著的相变过程或部分冶金反应，实现在焊缝表面及表面下微区范围内，形成具有与原焊缝表面相比较高的抗腐蚀性能。同时本发明的方法是与获得原焊缝方法相同的固态加工方法，可有效降低生产成本，并能有效避免环境污染，加工过程简单且不需要复杂的操作和控制。本发明主要对搅拌摩擦焊缝表面组织改性，促进表面抗腐蚀性方面提供了一个新的、可行的方法，克服了其他表面处理方法因成本、熔化过程等带来的种种不利的影响。
附图说明
图1是本发明具体实施例中提高焊缝抗腐蚀性搅拌摩擦加工区域及其操作示意图，图中：1、FSW焊缝区；2、槽；3、孔；4、拌针；5、轴肩；6、铝合金板材。
具体实施方式
实施例1
本实施例是以2024变形铝合金搅拌摩擦焊接头作为被加工试板，在焊缝区1中开槽+孔复合结构，形成复合加工区。向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和(Se+Bi)粉末的混合物，向上述孔中加入(Se+Bi)粉末，并进行固化处理；然后利用搅拌摩擦设备进行二次表面搅拌摩擦加工。
其中：
所述的槽-孔交替分布结构具体是指每100mm长度焊缝上开3个孔，其他剩余区域为槽，槽的尺寸为1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。
Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和(Se+Bi)粉末的总填加量为被加工接头焊缝区体积的5％。
Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末与(Se+Bi)粉末的体积比为3:2。
所述的Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末颗粒度为40-60目，(Se+Bi)粉末颗粒度为5-6目。
所述的(Se+Bi)粉末中，Se与Bi的体积比为1:1。
本实施例中，所采用的搅拌摩擦工具为现有技术。本实施例中所采用的变形铝合金为2024变形铝合金，或采用其他的变形铝合金，例如2A12铝合金。
具体加工时，搅拌摩擦工具固定在被加工焊缝区1上方，被加工FSW接头焊缝被固定后，搅拌摩擦工具在被加工焊缝槽-孔复合加工区上面以转速800～1200r/min高速旋转地接触被加工区表面，以10MPa的下压力压入复合加工区，轴肩下压量控制在0.6mm，停留3s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以250mm/min的速度从槽-孔部位，即填加了Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工区域2和3上压过，则在被加工区2和3上形成一道新的搅拌摩擦加工复合层区。为了保证焊缝大面积区域均被进行二次复合加工处理，搅拌头轴肩5直径应大于被加工焊缝宽度的2％左右。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现经过二次搅拌摩擦复合加工后，焊缝区表面耐腐蚀性得到了显著的提高，其性能指标如表1所示。
表1说明：电化学腐蚀结果中腐蚀电流密度是代表材料表面耐腐蚀性重要参数，腐蚀电流密度越小，其抗腐蚀性越高。表中原始焊缝为未经过二次搅拌摩擦加工处理的2024铝合金FSW焊缝。
表1 2024铝合金FSW接头焊缝表面二次搅拌摩擦加工电化学腐蚀结果
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和(Se+Bi)粉末的总填加量为被加工接头焊缝区体积的10％。搅拌工具的行走速度为190mm/min。具体加工时，搅拌摩擦工具固定在被加工焊缝区1上方，被加工FSW接头焊缝被固定后，搅拌摩擦工具在被加工焊缝槽-孔复合加工区上面以转速800～1200r/min高速旋转地接触被加工区表面，以10MPa的下压力压入复合加工区，轴肩下压量控制在0.6mm，停留3s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以190mm/min的速度从开槽-孔部位，即填加了Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工区域2和3上压过，则在被加工区2和3上形成一道新的搅拌摩擦加工复合层区。为了保证焊缝大面积区域均被进行二次复合加工处理，搅拌头轴肩5直径应大于被加工焊缝宽度的2％左右。
通过对上述实施例得到的材料进行取样试验，发现经过二次搅拌摩擦复合加工后，焊缝区表面耐腐蚀性得到了显著的提高，其性能指标如表2所示。
表2 2024铝合金FSW接头焊缝表面二次搅拌摩擦加工电化学腐蚀结果
本实施例中设计实验结果说明见实施例1，在此不再赘述。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，进行二次搅拌摩擦加工处理的铝合金FSW接头焊缝来自于7050高强铝合金；此外搅拌摩擦工具在被加工的焊缝表面复合加工区2和3上面以转速900～1200r/min高速旋转地接触被加工区的表面，以15MPa的下压力压入复合加工区2和3的表面，轴肩下压量控制在0.6mm，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以250mm/min的速度从开槽-孔部位上压过，最终在被加工的焊缝表面形成二次搅拌摩擦复合加工层。本实施例中所采用的变形铝合金为7050变形铝合金，或采用其他的变形铝合金亦可，例如7A52铝合金。
通过对上述实施例获得的材料进行取样试验，发现经过二次搅拌摩擦复合加工后，焊缝区表面耐腐蚀性也得到显著提高，其性能指标如表3所示。
表3 7050铝合金FSW接头焊缝表面二次搅拌摩擦加工电化学腐蚀结果
本实施例中设计实验结果说明见实施例1，在此不再赘述。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中，进行二次搅拌摩擦加工处理的铝合金FSW接头焊缝来自于7050高强铝合金；Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和(Se+Bi)粉末的总填加量为被加工接头焊缝区体积的10％。此外搅拌摩擦工具在被加工的焊缝表面复合加工区2和3上面以转速900～1200r/min高速旋转地接触被加工区的表面，以15MPa的下压力压入复合加工区2和3的表面，轴肩下压量控制在0.6mm，停留5s后，待搅拌摩擦工具附近的基体材料充分软化时，搅拌摩擦工具再以190mm/min的速度从开槽-孔部位上压过，最终在被加工的焊缝表面形成二次搅拌摩擦复合加工层。本实施例中所采用的变形铝合金为7050变形铝合金，或采用其他的变形铝合金亦可，例如7A52铝合金。
通过对上述实施例获得的材料进行取样试验，发现经过二次搅拌摩擦复合加工后，焊缝区表面耐腐蚀性也得到一定的提高，其性能指标如表4所示。
表4 7050铝合金FSW接头焊缝表面二次搅拌摩擦加工电化学腐蚀结果
本实施例中设计实验结果说明见实施例1，在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：其具体步骤为：
(1)以2000或7000系高强变形铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝区作为被加工区域，在所述焊缝区域开设槽-孔交替分布结构，向上述的槽中加入Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和Se+Bi粉末的混合物；向上述的孔中加入Se+Bi粉末，并进行固化处理；
(2)利用搅拌摩擦设备对上述槽-孔区域进行搅拌摩擦加工，其中，搅拌摩擦加工参数为：搅拌工具的转速为800-1200r/min、下压量为0.6mm、行进速度为190-250mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：所述的槽-孔交替分布结构具体是指每100mm长度焊缝上开2-3个孔，其他剩余区域为槽，槽的尺寸为1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：步骤(1)中Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末和Se+Bi粉末的总填加量为被加工接头焊缝区体积的5～10％。
4.根据权利要求1所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：步骤(1)中，Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末与Se+Bi粉末的体积比为3:2。
5.根据权利要求1所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：所述的Al86-Ni10-Ce6非晶态合金粉末颗粒度为40-60目，Se+Bi粉末颗粒度为5-6目。
6.根据权利要求1所述的一种提高热处理强化铝合金搅拌摩擦焊接头表面抗腐蚀性的方法，其特征在于：所述的Se+Bi粉末中，Se与Bi的体积比为1:1。
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