镍添加对激光-电弧复合焊接Al-Mg-Si-Cu合金接头腐蚀行为的影响

《Metals》：Effect of Nickel Addition on Corrosion Behavior of Laser–Arc Hybrid Welded Al-Mg-Si-Cu Alloy Joints

　　

由1.8 wt.% Ni改性的Al-Mg-Si-Cu激光-电弧复合焊接接头的腐蚀性能尚不清楚。本研究中，研究人员通过电化学测量结合扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线能谱（EDS）和扫描开尔文探针原子力显微镜（SKPFM）研究了腐蚀行为。镍合金化提高了α-Al基体的腐蚀电位，使其高于共晶Si，从而抑制了共晶Si的阴极作用。然而，Al₃Ni相与α-Al基体之间显著的电位差和广泛的界面面积促进了局部电偶腐蚀，导致沿Al₃Ni相形成链状点蚀。这种强烈的电偶耦合严重破坏了钝化膜的致密性并降低了其电阻。因此，焊接接头的腐蚀电流密度从0.83 μA/cm²显著增加到1.85 μA/cm²。这些发现表明，镍合金化适用于对高力学性能要求高而对耐腐蚀性要求次要的Al-Mg-Si-Cu合金焊接应用，例如白车身或底盘承载部件。

Al-Mg-Si-Cu合金作为中等强度轻量化材料，在汽车轻量化中应用广泛，但焊接时热影响区（HAZ）软化严重（微硬度降低可超40%）。激光-电弧复合焊接虽能减轻HAZ软化至20-30%，但焊缝（WS）填充率低导致软化超40%，成为性能瓶颈。微合金化是调控WS微观组织和力学性能的主要手段，如添加Sc、Zr、Ti等形成Al₃M相可细化晶粒。Ni元素通过快速冷却（如激光-电弧复合焊接）可“冻结”部分Ni原子在α-Al基体中并形成纳米级Al₃Ni相，显著提升强度（先前研究将软化度从45%降至33%），但Al₃Ni作为第二相与α-Al基体之间存在电偶电位差，可能影响耐腐蚀性，而目前文献对微合金化WS的腐蚀行为研究不足。本研究以含1.8 wt.% Ni的Al-Mg-Si-Cu激光-电弧复合焊接接头为对象，旨在阐明固溶Ni和微米级Al₃Ni相对WS腐蚀行为的影响规律及机制。论文发表在《Metals》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：电化学测试（动电位极化曲线、电化学阻抗谱EIS，使用Princeton Versa STAT3工作站，三电极体系，以3.5 wt.% NaCl溶液模拟沿海腐蚀环境）、扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线能谱（EDS）分析微观结构与腐蚀产物，以及扫描开尔文探针原子力显微镜（SKPFM）测量α-Al基体与第二相（共晶Si和Al₃Ni）之间的Volta电位差。样本来源为2 mm厚T6态Al-Mg-Si-Cu合金板和直径1.2 mm的ER4047焊丝，预置20 μm Ni箔进行合金化，焊接参数经优化（激光功率2400 W，送丝速度3.5 m/min，焊接速度55 mm/s等）。

**3.1 微观结构**：通过SEM和EDS观察，发现基体（BM）和热影响区（HAZ）主要含有α-Al(FeMnCr)Si相（常见金属间化合物）。无Ni合金化的WS中，灰色条状析出相为共晶Si，沿晶界和枝晶臂分布。Ni合金化后，WS中出现白色网络状析出相，富集Ni和Si，经XRD鉴定为Al₃Ni相，同样沿晶界和枝晶臂析出。

**3.2 电化学结果**：动电位极化曲线显示，两种焊接接头（含WS）的腐蚀电位（约-0.728 V）略高于仅含BM和HAZ的样品（-0.736 V），但腐蚀电流密度显著增大，表明WS是耐腐蚀性降低的主因。Ni合金化接头的腐蚀电流密度从0.83 μA/cm²增至1.85 μA/cm²（约2.2倍）。EIS测试显示，两种含WS接头的Nyquist图高频容抗弧直径均小于不含WS的接头，且Ni合金化接头的直径更小。等效电路拟合表明，Ni合金化后膜电阻（R₁）和电荷转移电阻（R₂）均显著降低，说明钝化膜保护性下降、腐蚀反应加快。

**3.3 腐蚀形貌**：浸蚀后宏观形貌显示，WS区域腐蚀更严重（颜色更深）。直接焊接WS以分散圆形点蚀为主，伴有少量链状点蚀（位于枝晶壁）；Ni合金化WS则主要为链状点蚀（沿Al₃Ni相分布），点蚀数量和尺寸显著增加。统计结果表明，Ni合金化WS中直径<20 μm的点蚀比例降低，20-50 μm点蚀比例升高，出现部分>50 μm的大点蚀，点蚀面积分数达21.2%（直接焊接WS的约2.7倍）。EDS分析确认，链状腐蚀产物在直接焊接WS中为共晶Si相，在Ni合金化WS中为Al₃Ni相。

**讨论部分总结**：SKPFM测量显示，Ni合金化使α-Al基体的Volta电位从-2.06 V提升至-1.92 V，高于共晶Si的-2.02 V，从而抑制了共晶Si的阴极作用。但Al₃Ni相与α-Al基体的电位差约0.12 V，远大于共晶Si与基体的0.04 V。在腐蚀过程中，Al₃Ni相作为有效阴极，加速相邻α-Al基体的阳极溶解，导致链状点蚀；同时网络分布的Al₃Ni相破坏了钝化膜致密性，减少膜电阻，并增加腐蚀形核位点。因此，Ni合金化通过四个途径恶化耐腐蚀性：提高α-Al基体电位使Al₃Ni成为主阴极；Al₃Ni与基体的大电位差加速局部电偶腐蚀；降低钝化膜厚度和电阻；连续分布的Al₃Ni增加点蚀形核数量。

**研究结论**：
(1) 添加1.8 wt.% Ni使焊接接头的腐蚀电流密度从0.83 μA/cm²增加到1.85 μA/cm²。
(2) SKPFM测量显示，Al₃Ni相与α-Al基体之间的Volta电位差（~0.12 V）显著大于共晶Si相与基体之间的电位差（~0.04 V）。在腐蚀过程中，网络分布的Al₃Ni相作为有效阴极，促进相邻α-Al基体的阳极溶解。
(3) 在直接焊接接头中，腐蚀起始于共晶Si相（作为阴极），形成分散的圆形点蚀；而在Ni合金化焊接接头中，腐蚀沿阴极Al₃Ni网络扩展，导致相互连接的链状点蚀，伴随点蚀尺寸、数量和总面积分数的显著增加。
(4) 焊缝中的Ni合金化引发严重电偶腐蚀，并严重削弱表面钝化膜的结构稳定性。因此，该Ni合金化焊接策略仅适用于低耐腐蚀服役要求的Al-Mg-Si-Cu合金结构部件，包括汽车白车身和底盘承载零件。