摘要：搅拌摩擦焊接(FSW)技术由于其固相焊接特征，在焊接铝合金方面具有显著优势。随着铝合金FSW接头在工业领域的应用越来越广，其腐蚀疲劳性能成为人们的关注重点。综合评述了铝合金FSW接头腐蚀疲劳的最新研究进展，介绍了铝合金FSW接头腐蚀疲劳研究的必要性及未来发展趋势。

关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；腐蚀疲劳

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)相比传统的熔焊方法而言，具有固相焊接的特征，接头的形成是通过搅拌工具与待焊工件的摩擦热和塑性变形热来实现的[1]。该焊接过程绿色环保，接头质量高，无夹渣、气孔、未焊透等熔焊缺陷，且焊后残余应力小，焊接接头力学性能优良[2]。在焊接轻质合金方面具有显著优势，尤其是铝合金。目前铝合金搅拌摩擦焊构件已经应用在航空航天、船舶交通等各工业领域[3]。

搅拌摩擦焊接头通常可分为四个区域：焊核区(Stir zone,SZ)、热力影响区(Thermal mechanical affected zone, TMAZ)、热影响区(Heat affected zone, HAZ)和母材(Base metal, BM)，各个区域的显微组织和微区力学性能差异较大，因此接头的腐蚀行为与母材的差异较大[3]。近些年国内外针对铝合金FSW接头腐蚀行为及腐蚀机制的研究已经取得了一些进展，本文作者评述了目前国内外关于铝合金搅拌摩擦焊接接头腐蚀疲劳过程中裂纹萌生机制、扩展机制、腐蚀介质影响因素等，为今后铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳研究提供参考。

1、铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀原因及特点

铝合金搅拌摩擦焊接过程中接头各个区域所经历的热循环和力的作用与熔焊过程不同，因此FSW接头各个区域的显微组织演变与熔焊接头存在明显差异，接头腐蚀行为和腐蚀机制也存在明显差异。此外，FSW过程的温度低于母材熔点，将不易出现强化相偏析聚集形成的“贫铜”现象。Cao等人[4]针对2219-T87铝合金的FSW接头强化相演变进行研究，并与用2319焊丝的熔化极气体保护焊接头作了对比，研究发现，接头沉淀相θ在两种焊接接头中的块状聚集现象呈现出不同特征，以此提出了通过θ相来表征接头中的共晶化合物在焊接过程中是否因为焊接温度的高低达到共晶温度而成为液化损伤的起源。

FSW接头各个区域经历的热和力的作用不相同，各个区域呈现的腐蚀行为存在差异。FSW过程中铝合金表面的包铝层将会被搅拌头破坏形成碎片弥散分布在接头内部，使得接头失去保护[5]。FSW接头不同区域之间显微组织的不同将会形成局部电偶腐蚀，且由于FSW焊后接头内部存在残余压应力，而会造成应力腐蚀现象[6]。铝合金FSW接头的腐蚀行为及特点通常通过浸泡试验和电化学腐蚀来解释。Bousquet等人[7]针对2024铝合金FSW接头进行了晶间腐蚀实验发现，靠近TMAZ的HAZ在焊接过程中晶间化合物粗大、沉淀相细小，且处于硬度弱区，故该区域最易发生点蚀和晶间腐蚀。栾国红等人[8]研究了7075高强铝合金FSW焊缝表面在中性盐雾试验中的腐蚀行为，结果发现，焊缝区晶粒和第二相粒子细化，但第二相粒子在接头各个区域分布不均匀，母材不经历搅拌焊作用，其表面的包铝层可以保护母材免受腐蚀，因此焊缝区的耐蚀性低于母材的，随着盐雾试验的延长，焊缝腐蚀从局部点蚀演化为晶界腐蚀、最终为剥落腐蚀。

综合国内外关于铝合金FSW接头耐蚀性的研究现状，铝合金FSW接头腐蚀机制分为：①铝合金FSW接头第二相粒子中Mg和Li活泼元素较多时，例如Al-Li合金，其相对周围铝合金基体电位较低，自身优先遭受腐蚀介质攻击而发生阳极溶解[9]；②FSW接头中富Cu等不活泼元素构成第二相粒子时，如Al-Cu合金，该第二相相比铝合金接头基体电位较高不易被腐蚀，使得该第二相粒子边缘基体优先被腐蚀[10]；③同时包含富Cu和富Mg、Li元素的第二相粒子的铝合金FSW接头，如Al-Cu-Mg合金，活泼元素选择优先被腐蚀溶解，致使不活泼元素富集，从而使第二相粒子和铝合金FSW接头基体的电位发生改变，进而改变局部腐蚀机制[11]；④铝合金FSW接头各个区域显微组织存在差异，以2024铝合金FSW接头为例，焊核区经历了较高的温度和塑性流动，其晶粒呈细小的等轴晶，且大角度晶界比例高，而TMAZ和HAZ经历了较低的温度使得回复占主导，使得大角度晶界比例分数与母材相当，TMAZ晶粒变形较大，HAZ晶粒稍长大，母材保持原始的轧制状态[12]。

2、铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳行为及特点

腐蚀疲劳(Corrosion fatigue, CF)是指材料承受着交变载荷的作用且同时处于特定的腐蚀介质中，在两种工况的协同作用下构件疲劳性能显著降低，构件发生疲劳损伤产生脆性断裂腐蚀形态的现象。腐蚀疲劳是在疲劳载荷和腐蚀介质的共同作用下发生的。在铝合金FSW构件服役过程中，不可避免地会处于腐蚀环境和疲劳载荷的共同作用，因此构成了腐蚀疲劳的普遍性。

Pao等人[13]研究了高强铝合金7075-T7451 FSW接头在应力比R=0.1时的腐蚀疲劳性能。研究发现：FSW接头各个区域呈现的腐蚀疲劳性能差异明显，由于高裂纹闭合效应使得HAZ的疲劳裂纹扩展速率低于BM和SZ的，但其应力腐蚀断裂门槛值较高；在空气中SZ的疲劳裂纹扩展速率略高于BM的；当试验选定的应力强度水平较高时，SZ和HAZ的腐蚀疲劳扩展速率是空气中疲劳试验的2倍，由于不同区域的显微组织存在差异，BM和HAZ表现出穿晶断裂的特征，主要是由于这两个区域晶界敏感程度高，SZ由于其显微组织为细小的等轴晶粒，呈现沿晶断裂特征。Czechowski等人[14]研究了5083-H321形变强化铝合金在3.5%NaCl腐蚀溶液中的疲劳性能，结果表明：FSW接头在3.5%NaCl腐蚀溶液中裂纹萌生点较空气中增多，且溶液中的阳极溶解和氢溶解导致裂纹扩展加速，因此腐蚀疲劳寿命被大大缩短。Rodriguez等人[15]研究了6061和7050铝合金异质焊FSW接头在3.5%NaCl溶液中预腐蚀之后的疲劳行为，研究表明：局部腐蚀首先出现在HAZ和TMAZ处，接头腐蚀疲劳裂纹萌生处即局部腐蚀出现处，且在高应变幅值下(>0.3%)裂纹扩展出现在6061铝合金一侧，低应变幅值下(<0.2%)裂纹扩展出现在7050铝合金一侧，主要是由于腐蚀缺陷处容易产生应力集中。Fonda等人[16]研究了5456-H116铝合金FSW接头不同区域的腐蚀疲劳行为，结果表明：HAZ表现出高于BM和SZ的腐蚀疲劳门槛应力值和较低的裂纹扩展速率，该研究结果与Pao等人[13]的一致。

综上所述，铝合金FSW接头的腐蚀疲劳行为主要与以下几个方面有关：①接头显微组织，铝合金FSW接头不同区域由于其显微组织存在差异会导致不同的腐蚀特征；②焊后残余应力，FSW接头焊后残余拉应力会增加腐蚀疲劳的裂纹扩展速率；③腐蚀环境，包括腐蚀介质、腐蚀温度等，腐蚀环境通过点蚀、氢脆、吸附作用等加速铝合金FSW结构疲劳裂纹的形成，目前铝合金FSW构件通常是以点蚀形成的腐蚀坑作为腐蚀疲劳的裂纹源。

3、结束语

铝合金FSW结构件在航空航天领域广泛应用，其服役过程中会遭受腐蚀介质和载荷的共同作用，因此开展铝合金FSW腐蚀疲劳研究意义重大。有必要深入开展铝合金FSW接头腐蚀疲劳性能的研究，综合所查阅的文献，应从以下两个方面开展研究：

1)深入研究铝合金FSW接头显微组织和腐蚀疲劳的相关性，包括焊接工艺参数对接头腐蚀疲劳的影响规律，用以指导实际工程。

2)结合铝合金FSW接头的力学性能和腐蚀疲劳行为，进行焊接冷却方式、搅拌头设计、焊后热处理等研究，提高接头的综合性能。