周永东, 龚兰芳, 刘梓屹
(中车株洲电力机车有限公司, 湖南 株洲 412005)
随着航空航天、轨道交通等重要行业的迅速发展,对各类结构件材料也有着更加严苛的要求[1-2]。7系铝合金起源于20世纪20年代的德国,是一种高强度铝合金,其主要合金元素为Zn、Mg、Cu等,具有高强轻质等优点[3]。正是因为7系铝合金的这些优点符合未来工程轻量化发展趋势,使得7系铝合金被广泛应用于重大装备制造领域。对于工程复杂的结构件,若采用铸造成型则容易产生大量的气孔和其他缺陷,所以铝合金结构件更多是以焊接的方式连接各个零部件从而达到整个结构件形状尺寸要求。
受电弓是轨道交通各类产品重要部件,起到获取电能的作用,受电弓上框架主要是由7系铝合金焊接而成,在服役过程中由于应力和腐蚀介质的影响,7系铝合金容易出现应力腐蚀开裂(Stress corrosion cracking, SCC)[4-5],这将严重缩短受电弓的服役寿命。已知铝合金应力腐蚀机理主要有阳极溶解[6]和氢脆理论[7-8],而合理正确的焊后热处理是一种有效的抑制铝合金焊后应力腐蚀倾向的一种方法[9-11]。
虽然前人们对抑制铝合金SCC倾向做了较多工作,但更多的是对铸造件进行整体热处理,而对7系铝合金焊后热处理研究较少,由于焊接接头的母材-热影响区(Heat affected zone,HAZ)-熔池等区域温度分布不均,各个部分的SCC倾向也不尽相同,所以探究出一种用于7系铝合金焊后减轻SCC倾向的热处理工艺是非常具有实际工程意义的。本文工作主要为利用焊接机器人制备一批相同焊接参数的7020铝合金对接试样,对焊接接头试样分别进行自然时效、单级时效、双级过时效、回归再时效(Retrogression and re-aging,RRA),之后再对不同焊后热处理的接头试样进行剥落腐蚀试验和慢应变速率拉伸(Slow strain rate tensile,SSRT)应力腐蚀试验,并对断口进行微观组织分析,探究不同焊后热处理工艺对7020铝合金焊接接头SCC倾向影响。
本试验采用的各类焊接参数如表1所示,采用直读光谱仪对7020母材进行化学成分分析,结果如表2所示。各个试样采用相同的焊接参数,焊后进行射线探伤,消除焊接缺陷对试验结果的影响。将焊后试样进行不同形式的热处理,各种热处理工艺如图1所示。根据热处理手册[12]指导,单级时效选用127 ℃×24 h,双级过时效127 ℃×8 h+160 ℃×12 h,回归再时效127 ℃×3 h+175 ℃×30 min+127 ℃×12 h。
图1 不同焊后时效处理工艺流程图Fig.1 Flow chart of different post-weld ageing processes
表1 焊接试样制备的焊接参数Table 1 Welding parameters for preparation of welding specimens
表2 7020铝合金母材化学成分(质量分数,%)Table 2 Chemical composition of the 7020 aluminium alloy base material (mass fraction,%)
7020铝合金焊接接头剥落腐蚀检测参考GB/T 22639—2022《铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法》执行,试样尺寸为40 mm×30 mm。依次用砂纸对试样进行逐级打磨,并用金刚石研磨膏进行抛光,清洗并吹干,使合金表面光洁,之后浸泡在234 g/L NaCl+50 g/L KNO3+6.3 mL/L HNO3溶液中48 h(室温条件下)。
根据GB/T 15970.7—2017《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验 第7部分:慢应变速率试验》设计慢应变速率拉伸应力腐蚀试验,该试验常用作将材料-环境体系的SCC敏感性进行快速分类的试验方法。该试验在室温下进行,腐蚀介质选用3.5%NaCl溶液,惰性介质选用硅油,应变速率为10-6s-1,SSRT试样尺寸示意图如图2所示。之后,再采用ZEISS MA10扫描电镜断口形貌观察和分析。制备铝合金接头圆片试样,采用MTP-1A型双喷电解减薄仪对圆片试样进行减薄、穿孔,双喷电解液为30%HNO3+70%CH3OH;使用FEI TECNAI G2 20分析电镜观察材料中析出相粒子的形貌、大小、分布及晶内、晶界析出状态等,将温度控制在-20 ℃以下,电流50～70 mA,电压25 V。
图2 慢应变速率拉伸应力腐蚀试验试样尺寸Fig.2 Specimen size for slow strain rate tensile stress corrosion test
2.1 不同环境下慢应变速率拉伸试验
在不同环境下,不同焊后热处理的铝合金焊接试样SSRT测试结果如表3所示。从表3可见,在NaCl溶液中所有试样的抗拉强度比惰性介质中的试样都有着一定程度的下降。自然时效和单级时效的焊接试样在NaCl溶液中的伸长率和断裂时间都比惰性介质中有明显的下降,经双级过时效和回归再时效处理后的焊接试样在NaCl溶液中的伸长率和断裂时间相差不大。单级时效后的试样抗拉强度较自然时效的试样有所提高,而双级过时效和回归再时效处理的试样抗拉强度有所损失,但所有经焊后热处理的试样的伸长率和断裂时间都比自然时效试样有所提高。
表3 不同焊接试样在不同环境下SSRT测试结果Table 3 SSRT test results for different welding specimens in different environments
单一的评价抗拉强度和伸长率不足以说明某试样应力腐蚀倾向,所以引用应力腐蚀指数ISSRT,ISSRT相比单一性能指数能更好地反应SCC倾向,ISSRT计算式
如式(1)[13]所示:
(1)
式中:RIw为腐蚀介质中的抗拉强度;RIA为惰性介质中抗拉强度;AIw为腐蚀介质中的断后伸长率;AIA为惰性介质中的断后伸长率。不同焊接试样的ISSRT如表4所示,由此可见,单级时效可以有效地提高接头抗拉强度,但会加大接头SCC倾向,而双级过时效和回归再时效虽然损失了强度,但是有效地减轻了接头的SCC倾向。
表4 不同焊后热处理试样的应力腐蚀指数Table 4 Stress corrosion index of different post-weld heat treated specimens
2.2 断口分析
不同焊后时效处理的铝合金焊接试样在3.5%NaCl溶液中SSRT试验后断口形貌如图3所示。由图3所见,自然时效后的试样断口形貌能观察到一部分的沿晶和韧窝混合型断口,晶界处有深度浅的小韧窝,也伴随着一定量的腐蚀产物,这是明显的沿晶腐蚀断口形貌;单级时效后的试样断口形貌是明显的沿晶断口,这是典型的脆性沿晶断裂,说明单级时效后试样对SCC敏感性高;双级过时效和回归再时效后的试样是典型的韧窝断裂,断口表面也伴随着少量的腐蚀产物,双级过时效和回归再时效后试样在断裂过程中发生了塑性流动,而回归再时效后试样的塑性流动更加剧烈,其断口韧窝也更加深,这意味着回归再时效后试样具有更好的塑韧性和更低的SCC倾向,这都与SSRT试验数据所展现的结果一致。
图3 不同焊后时效处理的铝合金焊接试样断口形貌(a,b)自然时效;(c,d)单级时效;(e,f)双级过时效;(g,h)回归再时效Fig.3 Fracture morphologies of the aluminum alloy welding specimens with different post-welding aging treatments(a,b) natural aging; (c,d) one-step aging; (e,f) two-step over-aging; (g,h) retrogression and re-aging
2.3 表面形貌和微观结构分析
不同焊后时效处理的铝合金焊接试样表面形貌图如图4所示,7020铝合金焊接接头的焊缝区为树枝状晶铸态组织,熔合区靠近焊缝一侧晶粒为等轴晶粒,但大小不均匀,并有少量沿散热方向生长的柱状晶,焊缝的合金化程度低于母材,其组织形态和成份决定了焊缝对应力腐蚀有较低的敏感性。气孔是影响SCC倾向性的一个重要因素,焊接后自然时效(未热处理)的焊缝及热影响区存在较多气孔,而这些气孔极易形成裂纹源,储存更多的氢,所以极易在气孔处形成氢脆,提供SCC条件。单级时效后的焊缝组织气孔增加,使之SCC倾向增大;而双级过时效和回归再时效后的焊缝组织气孔减少,SCC倾向减轻。不同热处理状态下的试样显微组织形貌无明显差异,说明在光学显微镜级别已无法辨别热处理工艺对组织的影响,需借助分辨率更高、放大倍数更大的透射电镜进行分析。
图4 不同焊后时效处理的铝合金焊接试样显微组织(a,b)自然时效;(c,d)单级时效;(e,f)双级过时效;(g,h)回归再时效Fig.4 Microstructure of the aluminum alloy welding specimens after different post-welding aging treatments(a,b) natural aging; (c,d) one-step aging; (e,f) two-step over-aging; (g,h) retrogression and re-aging
不同焊后时效处理的铝合金焊接试样TEM明场像如图5所示,自然时效后的试样热影响区晶界附近的无沉淀析出带(Precipitation free zone,PFZ)范围很窄,但是在晶界上析出了大量粗大的晶界析出物(Grain boundary precipitates,GBP),这不利于焊缝抵抗应力腐蚀;热处理后的接头热影响区中的PFZ宽化,而宽化的PFZ被证明有较好的抑制SCC倾向的作用[14-15],虽然单级时效后的试样热影响区晶界附近出现了较宽的PFZ,但是在晶界上同样析出了大量粗大的GBP,同时晶内析出相(Grain precipitates,GP)也分布不均且粗大,这些析出物都将增大SCC敏感性;双级过时效处理后的焊接接头热影响区中的GBP变得均匀连续且细小,GP也得到了细化所以抑制了SCC倾向;RRA焊接接头热影响区GBP消失,GP相比双级过时效试样中的GP进一步细化,这有利于降低焊接接头的SCC敏感性。相较于其他3种状态,RRA处理后的焊接接头抗应力腐蚀能力最好,这与SSRT试验结果一致。
图5 不同焊后时效处理的铝合金焊接试样TEM明场像(a)自然时效;(b)单级时效;(c)双级过时效;(d)回归再时效Fig.5 TEM bright field images of the aluminum alloy welding specimens after different post-welding aging treatments(a) natural aging; (b) one-step aging; (c) two-step over-aging; (d)retrogression and re-aging
1) 在3.5%NaCl溶液中,以10-6s-1的应变速率进行SSRT试验时,单级时效后的试样有更高的SCC倾向,双级过时效和RRA处理后的试样展现出比自然时效(未热处理)的试样更好的抗SCC性能。
2) SSRT试验后自然时效试样主要是沿晶腐蚀断口形貌;单级时效后的试样断口形貌是明显的沿晶断口;双级过时效和RRA处理后的试样是典型的韧窝断裂。
3) 热处理可以使接头热影响区的无沉淀析出带宽化,单级时效后析出大量的不均匀的粗大的晶界析出物和晶内析出相降低了抗SCC性能;双级过时效处理细化了晶内析出相,晶界析出物也变得连续均匀;RRA进一步细化了晶内析出相,晶界析出物消失,从而展现出最低的SCC敏感性。
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