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CN106498319A - 一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法 - Google Patents

一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法。步骤如下：第一步，空气循环炉内进行固溶处理，工艺过程为将铝锂合金电子束焊接头加热至510℃，保温1h，水冷淬火；第二步，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理；第三步，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理；第四步，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理。经过焊后固溶+三级时效处理，接头焊缝金属及热影响区中的强化相充分析出，提高了焊缝区域强化相的体积分数，同时细化了接头区域的组织晶粒，并改善了接头区域微观组织分布的均匀性，在大大提高接头力学性能的同时，改善和提高了焊接接头的耐腐蚀性。

Description

一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法
技术领域
本发明属于金属材料加工处理及其腐蚀防护技术领域，具体涉及一种提高铝锂合金电子束焊接头耐腐蚀性能的焊后热处理方法。
背景技术
铝锂合金作为一种新型结构材料，具有比强度高、比模量高、密度低以及超塑性等优异的性能。用铝锂合金代替其它铝合金材料，可使构件质量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，因此在航空航天等领域中具有广泛的应用前景。在工业生产中，铝锂合金大多作为焊接结构使用。铝锂合金在焊接过程中存在焊接热裂纹倾向大、易产生焊缝气孔、焊接接头软化等不足。与其它熔化焊方法相比，能量集中的电子束焊工艺用于铝锂合金的焊接具有较大优势。但由于Li是一种活泼性较强的元素，使铝锂合金及其焊接接头在潮湿和盐雾等环境中具有较高的腐蚀敏感性，尤其是晶间腐蚀和剥蚀敏感性高，使铝锂合金构件在实际使用中容易受到腐蚀破坏，甚至失效。
晶间腐蚀(Intergrannlar Corrosion，IGC)是一种由组织电化学不均匀性引起的局部腐蚀，其主要特征是腐蚀裂纹沿着金属晶粒间的分界面即晶界扩展，形成网状腐蚀形貌。对于铝锂合金电子束焊接头，不当的热处理制度可能促进连续腐蚀通道在晶界处形成，由于合金中沉淀相的电位与周围晶粒不同，且相对于周围晶粒为阳极而构成腐蚀电池，因此会加速晶间腐蚀。剥蚀(Exfoliation Corrosion，EXCO)过程是在与合金表面平行的次表面有选择性地开始，当腐蚀产物在晶界处堆积时，腐蚀产物周围的晶粒会产生楔应力，使得腐蚀产物上方金属表面的晶粒被“顶起”，随着腐蚀产物的逐渐堆积，腐蚀层与未腐蚀金属层之间剥落分离，即发生剥落腐蚀。通常认为剥蚀是晶间腐蚀的一种特殊形式。
飞机结构材料发生腐蚀而受到破坏，会影响飞机的使用寿命，甚至造成机毁人亡的重大事故。铝锂合金作为航空航天领域理想的结构材料之一，经常用于制作焊接结构。因此，分析研究如何提高铝锂合金及其焊接接头的耐蚀性，以及采取一定的防护措施具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高铝锂合金电子束焊接头耐腐蚀性能的焊后热处理方法，其特点是通过焊后固溶+三级时效处理，促进强化相T1(Al2CuLi)等在接头区域析出，改善了接头焊缝区的微观组织均匀性，细化了接头焊缝组织晶粒，在提高焊接接头力学性能的同时，改善和提高了接头区域的耐晶间腐蚀和剥落腐蚀性能，以确保铝锂合金构件在航空航天等领域中安全服役。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法，步骤如下：
第一步，选用Al-Cu-Li合金板材，首先采用电子束工艺将其进行对接焊，然后对铝锂合金电子束焊接头在空气循环炉内进行固溶处理，工艺过程为将焊接接头加热至510℃，保温1h，水冷淬火；
第二步，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理；
第三步，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理；
第四步，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理。
其中，第一步中，选用厚度为4mm的Al-Cu-Li合金板材，其化学成分为(wt％)：Al-3.2Cu-0.31Mg-0.96Li-0.11Zr，首先采用电子束工艺将其进行对接焊，然后对接头进行焊后热处理。
第二步中，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理，以促进强化相T1(Al2CuLi)、θ(Al2Cu)等在接头区域析出。
第三步中，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理，以进一步促进强化相T1(Al2CuLi)、β′(Al3Zr)等在接头区域析出，提高接头区域强化相的体积分数，消除了接头区域的无沉淀析出带(Precipitate Free Zone，PFZ)。
第四步中，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理，促进强化相β′(Al3Zr)等在接头区域析出的同时，使接头区域的微观组织得到细化，并改善了微观组织分布的均匀性。
经过焊后固溶+三级时效处理，接头焊缝金属及热影响区中的强化相T1(Al2CuLi)等充分析出，提高了焊缝区域强化相的体积分数，同时细化了接头区域的组织晶粒，并改善了接头区域微观组织的均匀性，在大大提高接头力学性能的同时，改善和提高了焊接接头的耐腐蚀性。
本发明的原理是：铝锂合金作为一种时效强化型合金，具有特殊的化学成分及组织性能特点。铝锂合金中的沉淀相主要为T1(Al2CuLi)相。在焊态下，铝锂合金电子束焊接头区域存在软化现象，接头的强度系数仍不够高。这是由于接头焊缝金属的“欠时效”和接头热影响区的“过时效”所致。本发明涉及的提高铝锂合金电子束焊接头耐腐蚀性能的焊后热处理方法，经过焊后固溶+三级时效处理后，接头焊缝金属及热影响区中的强化相T1(Al2CuLi)等在晶界处充分析出，同时细化了接头区域的组织晶粒，改善了接头区域微观组织分布的均匀性。当晶界析出相呈不连续分布时，使得原本连续的晶间腐蚀通道不复存在，使其对晶间腐蚀的敏感性降低。接头热影响区在经历焊后固溶+三级时效处理后，组织中原本存在的长而宽的扁平状晶粒将发生变化，使其剥蚀敏感性下降。此外，晶粒细化及沉淀相细化可减小铝锂合金的电子逸出功，促进铝锂合金接头表面的钝化膜增厚，也有利于提高铝锂合金接头的耐蚀性能。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1.通过焊后固溶+三级时效处理，促进了接头区域的强化相充分析出，改善了接头区域微观组织分布的均匀性，细化了接头区域的组织晶粒，在提高接头的力学性能同时，改善和提高了接头的耐腐蚀性能；
2.铝锂合金及其焊接接头在实际使用过程中，存在多种类型的局部腐蚀倾向，本发明可提高电子束焊接头的耐晶间腐蚀和剥落腐蚀等多种类型的腐蚀性能，具有较大的适应性；
3.对铝锂合金电子束焊接头进行固溶处理后，分别进行单级时效、双级时效和三级时效，通过对采用不同时效制度进行热处理接头的耐晶间腐蚀和剥落腐蚀进行综合分析比较，发现三级时效制度在提高焊缝耐蚀性方面为最优的时效制度；
4.热处理工艺过程简单，不需要复杂的处理设备，对操作人员的技术水平要求不高，有利于本技术的推广使用。
附图说明
图1是本发明焊态下和焊后固溶+三级时效处理接头试样的晶间腐蚀形貌；(a)焊态下焊缝金属；(b)固溶+三级时效焊缝金属；(c)焊态下热影响区；(d)固溶+三级时效热影响区；(e)焊态下母材区；(f)固溶+三级时效母材区。
图2是本发明焊态下接头试样浸泡不同时间剥落腐蚀形貌照片；(a)24h；(b)60h；(c)96h。
图3是本发明焊后固溶+三级时效处理接头试样浸泡不同时间剥落腐蚀形貌照片；(a)24h；(b)60h；(c)96h。
图4是本发明焊后固溶+双级时效处理接头试样剥落腐蚀形貌照片；(a)24h；(b)60h；(c)96h。
图5是本发明焊后固溶+单级时效处理接头试样晶间腐蚀形貌；(a)焊缝金属；(b)热影响区；(c)母材区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明，可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。
实施例1
第一步，选用Al-Cu-Li合金板材，首先采用电子束工艺将其进行对接焊，然后对铝锂合金电子束焊接头在空气循环炉内进行固溶处理，工艺过程为将铝锂合金电子束焊接头加热至510℃，保温1h，水冷淬火；
第二步，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理；
第三步，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理；
第四步，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理。
将经过焊后固溶+三级时效处理的铝锂合金电子束焊接头进行晶间腐蚀试验，分析评价固溶+三级时效处理接头对晶间腐蚀的敏感性，并与焊态下接头对晶间腐蚀的敏感性进行对比。晶间腐蚀(Intergrannlar Corrosion，IGC)按GB/T 7998-2005标准进行，溶液体系为(57g NaCl+1L H2O+10mL H2O2)，溶液体积与试样面积比为15mL/cm2，试验温度保持在(35±1)℃，暴露时间6h。腐蚀试样经过HNO3溶液浸泡，蒸馏水冲洗后吹干，截取其横截面，制备金相试样，在金相显微镜下观察晶间腐蚀情况。
图1分别为焊态下和焊后固溶+三级时效处理的铝锂合金电子束焊接头试样不同区域的晶间腐蚀形貌。从图1中可以看出，焊态下试样的腐蚀均为点蚀，未观察到明显的沿晶界腐蚀。母材区腐蚀最严重，腐蚀产物最多，点蚀深度也最大，为69.0μm；焊缝金属和热影响区的腐蚀程度均小于母材区，热影响区最大点蚀深度为25.1μm；焊缝金属区点蚀深度最小，只有轻微点蚀坑，最大点蚀深度仅为9.2μm，分别如图1(a)、(c)、(e)所示。焊后固溶+三级时效处理接头试样产生的腐蚀均为点蚀，母材区的点蚀坑深度比焊缝金属和热影响区的都大，焊后固溶+三级时效处理接头试样不同区域晶间腐蚀扩展的最大深度分别为：焊缝金属区3.5μm，热影响区23.6μm，母材区67.5μm，分别如图1(b)、(d)、(f)所示。三级时效处理接头焊缝金属的耐蚀性比母材区和热影响区的好。
铝锂合金在电子束焊接过程中接头组织或者析出相发生变化，因此接头不同区域的耐蚀性有所不同。铝锂合金的晶间腐蚀主要与晶界析出相或者晶界无沉淀带的阳极溶解有关。焊后固溶+三级时效处理接头试样的腐蚀深度较焊态下的要小很多，腐蚀产物较少，在焊缝金属、热影响区和母材区均未观察到沿晶腐蚀。接头不同区域耐晶间腐蚀性能的大小顺序为：焊缝金属区>热影响区>母材区。总体上，经过焊后固溶+三级时效处理可使接头的耐晶间腐蚀性能提高。
实施例2
按照实施例1的方法对铝锂合金电子束焊接头进行焊后热处理。将经过焊后固溶+三级时效处理的铝锂合金电子束焊接头进行剥落腐蚀(简称剥蚀)试验，分析评价焊后固溶+三级时效处理接头对剥蚀的敏感性，并与焊态下接头对剥蚀的敏感性进行对比。剥落腐蚀(Exfoliation Corrosion，EXCO)按ASTM G 34-2001标准进行，溶液体系为EXCO溶液(4.0mol·L-1NaCl+0.5mol·L-1KNO3+0.1mol·L-1HNO3)，溶液体积与试样面积比为20mL/cm2，试验温度为(25±3)℃，浸泡后间断观察，洗掉腐蚀产物后拍摄试样的宏观形貌；对照ASTM G 34-2001标准，对腐蚀试样进行评级。评级代号：N―无明显腐蚀；P―点蚀；EA→EB→EC→ED代表剥落腐蚀逐渐加重。
图2为焊态下接头试样在EXCO溶液中分别浸泡了6h、24h、48h、60h、84h、96h后表面剥落腐蚀形貌照片。表1为对照ASTM G 34-2001标准，对焊态下接头试样的剥蚀程度进行评级。从图2和表1中可以看出，焊态下接头试样的母材区在腐蚀液中浸泡初期就出现了鼓泡，颜色也较焊缝金属及热影响区暗，点蚀大片出现；浸泡至6h后母材区出现大片“起皮”，金属光泽消失，表现出明显的剥蚀特征，随着时间延长剥蚀越来越严重；浸泡至24h时母材表面几乎全部发生剥蚀，腐蚀进一步深入金属内部。相比之下，热影响区和焊缝金属区受到的腐蚀较轻。热影响区在浸泡到60h、84h、96h后表面才发灰，并出现少量点蚀。焊缝金属区的腐蚀情况较热影响区的稍好，直至第84h、96h才出现少量点蚀。
表1焊态下接头试样在EXCO溶液中剥蚀发展过程
图3为焊后固溶+三级时效处理接头试样的剥落腐蚀形貌照片。表2为对照ASTMG34-2001标准，对焊后固溶+三级时效处理接头试样的剥蚀程度进行评级。从图3和表2中可以看出，母材区在浸泡初期便出现了点蚀，浸泡至24h时便出现大量鼓泡；浸泡至48h后出现大量起皮，出现明显分层；浸泡至60h、84h、96h后，腐蚀进一步深入金属内部，剥蚀越来越严重。热影响区在浸泡至48h时还未见腐蚀出现；浸泡至60h时发灰；浸泡至84h、96h时出现少量点蚀坑。焊缝金属则一直保持表面光亮无腐蚀至第84h；浸泡96h时出现少量点蚀坑。
表2焊后固溶+三级时效处理接头试样在EXCO溶液中剥蚀发展过程
在EXCO溶液中浸泡96h后，两种接头试样的热影响区和焊缝金属腐蚀程度相似，均未观察到剥蚀现象，只观察到点蚀。这是由于热影响区在焊接过程中经历了焊接热循环，晶间部分沉淀相溶解，破坏了原本连续的腐蚀通路，使得晶间腐蚀和剥蚀都不易发生。焊缝金属在焊接过程中经历了高温熔化到重新凝固结晶，晶粒呈等轴状而不呈拉长状，且不再平行于合金表面，因此剥蚀敏感性远小于母材区。接头不同区域耐剥蚀性能的大小顺序为：焊缝金属>热影响区>母材区。两种接头试样母材区的腐蚀程度有所不同，焊后固溶+三级时效处理接头母材区的耐剥蚀性能相对要好。总体上，经过焊后固溶+三级时效处理接头的耐剥蚀性能比焊态下接头的好，说明适当的焊后热处理制度可以提高铝锂合金电子束焊接头的耐剥蚀性。
实施例3
按照实施例1的方法对铝锂合金电子束焊接头进行焊后热处理。按照实施例2的方法对铝锂合金电子束焊接头进行剥落腐蚀试验。分析评价焊后固溶+三级时效处理接头对剥落腐蚀的敏感性，并与进行焊后固溶+双级时效处理(固溶处理：510℃×1h，水冷淬火；双级时效：160℃×16h+130℃×16h)的铝锂合金电子束焊接头对剥落腐蚀的敏感性进行对比。
图4为焊后固溶+双级时效处理接头试样的剥落腐蚀形貌照片。表3为对照ASTMG34-2001标准，对焊后固溶+双级时效处理接头试样的剥蚀程度进行评级。
表3焊后固溶+双级时效处理接头试样在EXCO溶液中剥蚀发展过程
从图4中可以看出，母材区在浸泡初期便发灰并出现少量鼓泡，出现分层；浸泡6h后表面已经全面起皮，分层明显；浸泡48h、60h后腐蚀进一步深入金属内部，金属表面颜色越来越暗；浸泡至84h、96h后表现出严重剥蚀形貌。热影响区在浸泡至48h时仍然保持光亮，没有出现腐蚀；浸泡至60h、84h、96h后热影响区发灰，出现少量点蚀，未观察到剥蚀出现。焊缝金属在浸泡至60h时仍然保持光亮，浸泡至84h、96h后出现发灰、点蚀，腐蚀程度稍好于热影响区。
与实施例2中的焊后固溶+三级时效处理接头试样相比，两种接头焊缝金属和热影响区的腐蚀情况相似，但母材区的腐蚀程度有所不同，焊后固溶+双级时效处理接头试样母材区的剥蚀程度大，焊后固溶+三级时效处理接头的耐剥蚀性能要比焊后固溶+双级时效处理接头的好，说明适当的焊后热处理制度可以提高铝锂合金接头的耐剥蚀性能。
实施例4
按照实施例1的方法对铝锂合金电子束焊接头进行焊后热处理。按照实施例1的方法对铝锂合金电子束焊接头进行晶间腐蚀试验。分析评价焊后固溶+三级时效处理接头对晶间腐蚀的敏感性，并与进行焊后固溶+单级时效处理(固溶处理：510℃×1h，水冷淬火；单级时效：155℃×16h)的铝锂合金电子束焊接头对晶间腐蚀的敏感性进行对比。
图5为焊后固溶+单级时效处理接头试样的晶间腐蚀形貌，从图5中可以看出，焊后固溶+单级时效处理接头试样的母材区与热影响区均可见明显的晶间腐蚀，腐蚀沿着扁平状晶粒组织扩展，呈网络状分布，母材区晶间腐蚀程度明显大于热影响区，母材区最大腐蚀深度为112.1μm，热影响区最大腐蚀深度为75.0μm。但是焊缝金属区只有轻微的点蚀，未发现晶间腐蚀裂纹，点蚀深度较小，仅为15.0μm。
由前述的图1中可以看出，焊后固溶+三级时效处理接头试样的腐蚀深度较焊后固溶+单级时效处理接头试样的要小很多，腐蚀产物较少，在焊缝金属、热影响区和母材区均未观察到沿晶腐蚀。焊后固溶+三级时效处理接头试样产生的腐蚀均为点蚀，母材区的点蚀坑深度比焊缝金属和热影响区都大，焊缝金属的耐蚀性比母材区和热影响区好。焊后固溶+三级时效处理接头试样晶间腐蚀扩展的最大深度为：焊缝金属区3.5μm，热影响区23.6μm，母材区67.5μm。
由上述可知，两种试样的腐蚀程度有所不同，焊后固溶+单级时效处理接头的腐蚀程度明显比焊后固溶+三级时效处理接头的大，尤其是焊后固溶+单级时效接头试样的母材区腐蚀较严重，腐蚀程度甚至比未进行焊后热处理即焊态下接头的母材区还要大。说明焊后固溶+三级时效处理较焊后固溶+单级时效处理对提高接头的耐蚀性效果好，三级时效制度在提高铝锂合金接头的耐蚀性方面为最优时效制度。

Claims (5)

1.一种提高铝锂合金电子束焊接头耐蚀性能的焊后热处理方法，其特征在于步骤如下：
第一步，选用Al-Cu-Li合金板材，首先采用电子束工艺将其进行对接焊，然后对铝锂合金电子束焊接头在空气循环炉内进行固溶处理，工艺过程为将铝锂合金电子束焊接头加热至510℃，保温1h，水冷淬火；
第二步，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理；
第三步，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理；第四步，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一步中，选用厚度为4mm的Al-Cu-Li合金板材，其化学成分为(wt％)：Al-3.2Cu-0.31Mg-0.96Li-0.11Zr。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第二步中，将固溶处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行150℃×14h时效处理，以促进强化相T1(Al2CuLi)、θ(Al2Cu)等在接头区域析出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第三步中，将第一次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行160℃×12h时效处理，以进一步促进强化相T1(Al2CuLi)、β′(Al3Zr)等在接头区域析出，提高接头区域强化相的体积分数，消除了接头区域的无沉淀析出带。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第四步中，将第二次时效处理后的焊接接头在鼓风干燥箱中进行130℃×16h时效处理，促进强化相β′(Al3Zr)等在接头区域析出的同时，使接头区域的微观组织得到细化，并改善了微观组织分布的均匀性。
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