本發(fā)明涉及金屬結(jié)構(gòu)表面抗腐蝕技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

金屬材料在使用中受到自身特性、服役及環(huán)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(xiàn)，例如氧化、腐蝕、斷裂等。其中航空結(jié)構(gòu)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，焊接后其焊縫表面的抗腐蝕性會更差，極大影響使用壽命和應(yīng)用潛力。近年來攪拌摩擦焊(FSW)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種鋁合金材料結(jié)構(gòu)的連接，但部分研究發(fā)現(xiàn)焊縫截面區(qū)的焊核區(qū)(NZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、熱-機械影響區(qū)(TMAZ)以及焊縫表面區(qū)(上部軸肩區(qū))的腐蝕性下降極為明顯，現(xiàn)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采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、熱噴涂、化學(xué)沉積、氣相沉積、激光及電子束沖擊等。但上述方法如果用于鋁合金焊縫表面提高腐蝕性，會嚴重影響整體材料結(jié)構(gòu)的組織性能，甚至采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(jié)構(gòu)強度和使用壽命均會產(chǎn)生不利的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了彌補現(xiàn)有技術(shù)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(qū)抗腐蝕性能提高，快速高效、成本低。

本發(fā)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(qū)作為被加工區(qū)域，在所述焊縫區(qū)域開設(shè)槽-孔交替分布結(jié)構(gòu)，向上述的槽中加入Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)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，并進行固化處理；

(2)利用攪拌摩擦設(shè)備對上述槽-孔區(qū)域進行攪拌摩擦加工，其中，攪拌摩擦加工參數(shù)為：攪拌工具的轉(zhuǎn)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(qū)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，尤其是焊接后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(qū)域開設(shè)槽-孔的基本設(shè)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，其他剩余區(qū)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(tài)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(tài)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(qū)，進而提高其抗腐蝕性能。

本發(fā)明中采用的攪拌摩擦加工技術(shù)來源于現(xiàn)有的攪拌摩擦焊技術(shù)。其原理是通過攪拌摩擦加工設(shè)備的攪拌頭的強烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、混合、破碎，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和固態(tài)相變。此時在Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和/或Se+Bi粉末與被加工焊縫表面區(qū)金屬之間會發(fā)生強烈的相變或部分冶金反應(yīng)，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(xiàn)提高高強度鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊縫區(qū)抗腐蝕性能的目的。

本發(fā)明中，之所以選用Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和/或Se+Bi粉末提高接頭焊縫區(qū)的抗腐蝕性能，是因為：1、Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金本身具有良好的耐腐蝕性，也是本發(fā)明中起到主要耐腐蝕性的強化因子，并且其成分接近于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(tài)合金相近，利于在攪拌摩擦加工中熔化，并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化合物會分布于晶粒和晶界附近，導(dǎo)致點腐蝕。

本發(fā)明之所以采用槽-孔交替分布結(jié)構(gòu)并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(qū)域的體積占比較低，在槽中主要是依靠添加Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)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于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(tài)合金粉末會經(jīng)歷晶化和熔化兩個過程，其損失會較少，進而可能導(dǎo)致Se和Bi金屬的量達不到預(yù)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(fā)明中，Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末與Se+Bi粉末的體積比為3:2，采用上述配比，能夠更好的發(fā)揮非晶態(tài)合金的提高腐蝕性的作用，并且也能通過后者的冶金結(jié)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范圍均處于攪拌摩擦加工的溫度范圍以內(nèi)，利于強化因子充分地進行晶化、熔化及其微冶金結(jié)合過程。

為了便于強化因子在攪拌摩擦加工中更好地被分散到焊縫表面中并與之充分反應(yīng)，所述強化因子中Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末顆粒度為40-60目、Se+Bi粉末顆粒度為5-6目。

本發(fā)明中，Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和Se+Bi粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區(qū)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(jié)果導(dǎo)致點腐蝕的存在；填加量過少將不利于形成更加細小的表面組織出現(xiàn)，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后采用低溫快速蒸發(fā)型有機噴霧溶膠進行固化處理。

當采用攪拌摩擦設(shè)備對上述填加有強化合金粉末的槽-孔區(qū)域進行攪拌摩擦加工時，攪拌摩擦加工參數(shù)為：攪拌工具的轉(zhuǎn)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范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(jié)合，如果速度高于此范圍不僅會造成加工區(qū)域大面積溫度進一步升高造成強化相的溶解，導(dǎo)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(dǎo)致攪拌頭斷針問題。如果低于該范圍，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(tài)存在于焊縫表面，也會造成點腐蝕等問題。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過已獲得的鋁合金FSW焊縫表面區(qū)域，通過合理設(shè)計填加強化合金粉末，并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于焊縫表面及表面以下較淺區(qū)域，并與焊縫表面及表面下微區(qū)金屬發(fā)生顯著的相變過程或部分冶金反應(yīng)，實現(xiàn)在焊縫表面及表面下微區(qū)范圍內(nèi)，形成具有與原焊縫表面相比較高的抗腐蝕性能。同時本發(fā)明的方法是與獲得原焊縫方法相同的固態(tài)加工方法，可有效降低生產(chǎn)成本，并能有效避免環(huán)境污染，加工過程簡單且不需要復(fù)雜的操作和控制。本發(fā)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(fā)明具體實施例中提高焊縫抗腐蝕性攪拌摩擦加工區(qū)域及其操作示意圖，圖中：1、FSW焊縫區(qū)；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(qū)1中開槽+孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成復(fù)合加工區(qū)。向上述的槽中加入Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和(Se+Bi)粉末的混合物，向上述孔中加入(Se+Bi)粉末，并進行固化處理；然后利用攪拌摩擦設(shè)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(jié)構(gòu)具體是指每100mm長度焊縫上開3個孔，其他剩余區(qū)域為槽，槽的尺寸為1mm×1mm；孔的尺寸Φ3mm×1.5mm。

Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區(qū)體積的5％。

Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)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(tài)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，所采用的攪拌摩擦工具為現(xiàn)有技術(shù)。本實施例中所采用的變形鋁合金為2024變形鋁合金，或采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(qū)1上方，被加工FSW接頭焊縫被固定后，攪拌摩擦工具在被加工焊縫槽-孔復(fù)合加工區(qū)上面以轉(zhuǎn)速800～1200r/min高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工區(qū)表面，以10MPa的下壓力壓入復(fù)合加工區(qū)，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留3s后，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(tài)合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工區(qū)域2和3上壓過，則在被加工區(qū)2和3上形成一道新的攪拌摩擦加工復(fù)合層區(qū)。為了保證焊縫大面積區(qū)域均被進行二次復(fù)合加工處理，攪拌頭軸肩5直徑應(yīng)大于被加工焊縫寬度的2％左右。

通過對上述實施例得到的材料進行取樣試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過二次攪拌摩擦復(fù)合加工后，焊縫區(qū)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(xué)腐蝕結(jié)果中腐蝕電流密度是代表材料表面耐腐蝕性重要參數(shù)，腐蝕電流密度越小，其抗腐蝕性越高。表中原始焊縫為未經(jīng)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(xué)腐蝕結(jié)果

實施例2

本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于：Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區(qū)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(qū)1上方，被加工FSW接頭焊縫被固定后，攪拌摩擦工具在被加工焊縫槽-孔復(fù)合加工區(qū)上面以轉(zhuǎn)速800～1200r/min高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工區(qū)表面，以10MPa的下壓力壓入復(fù)合加工區(qū)，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留3s后，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(tài)合金粉末和/或(Se+Bi)粉末的加工區(qū)域2和3上壓過，則在被加工區(qū)2和3上形成一道新的攪拌摩擦加工復(fù)合層區(qū)。為了保證焊縫大面積區(qū)域均被進行二次復(fù)合加工處理，攪拌頭軸肩5直徑應(yīng)大于被加工焊縫寬度的2％左右。

通過對上述實施例得到的材料進行取樣試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過二次攪拌摩擦復(fù)合加工后，焊縫區(qū)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(xué)腐蝕結(jié)果

本實施例中設(shè)計實驗結(jié)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，不同之處在于：本實施例中，進行二次攪拌摩擦加工處理的鋁合金FSW接頭焊縫來自于7050高強鋁合金；此外攪拌摩擦工具在被加工的焊縫表面復(fù)合加工區(qū)2和3上面以轉(zhuǎn)速900～1200r/min高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工區(qū)的表面，以15MPa的下壓力壓入復(fù)合加工區(qū)2和3的表面，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留5s后，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復(fù)合加工層。本實施例中所采用的變形鋁合金為7050變形鋁合金，或采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(fā)現(xiàn)經(jīng)過二次攪拌摩擦復(fù)合加工后，焊縫區(qū)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(xué)腐蝕結(jié)果

本實施例中設(shè)計實驗結(jié)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，不同之處在于：本實施例中，進行二次攪拌摩擦加工處理的鋁合金FSW接頭焊縫來自于7050高強鋁合金；Al₈₆-Ni₁₀-Ce₆非晶態(tài)合金粉末和(Se+Bi)粉末的總填加量為被加工接頭焊縫區(qū)體積的10％。此外攪拌摩擦工具在被加工的焊縫表面復(fù)合加工區(qū)2和3上面以轉(zhuǎn)速900～1200r/min高速旋轉(zhuǎn)地接觸被加工區(qū)的表面，以15MPa的下壓力壓入復(fù)合加工區(qū)2和3的表面，軸肩下壓量控制在0.6mm，停留5s后，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復(fù)合加工層。本實施例中所采用的變形鋁合金為7050變形鋁合金，或采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(fā)現(xiàn)經(jīng)過二次攪拌摩擦復(fù)合加工后，焊縫區(qū)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(xué)腐蝕結(jié)果

本實施例中設(shè)計實驗結(jié)果說明見實施例1，在此不再贅述。