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摘要：现阶段，我国的工程建设越来越多，对铝合金的应用也越来越广泛。铝合金具有比强度高、塑性好，良好的耐蚀性和成形加工性等优点，被广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、汽车、兵器工业等领域。在铝合金构件的成型过程中，材料的连接是重要的加工环节。采用传统焊接工艺易形成气孔和发生变形，影响铝合金构件的服役安全。摩擦搅拌焊技术可以实现铝合金的有效、可靠连接，获得的接头平整、残余应力低、力学性能优良，构件变形小。本文综述了铝合金同种及异种材料的摩擦搅拌焊研究现状。
关键词：冷喷涂；搅拌摩擦焊；夯实效应；晶间
引言
冷喷涂技术（coldspraying，CS）作为一种固相粒子沉积技术，具有涂层均匀致密，孔隙率低，对基体无损害等特点，能够有效避免上述问题。目前，冷喷涂技术已经成功应用于铝合金、镁合金等各种材料的保护中。
1搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊是一种主要用于低熔点金属（如铝、镁、铜及其合金）的新型固相焊接技术，具有优质、高效、绿色、小变形等优点，目前已在航空航天等领域得到了越来越广泛的应用。但是，由于工艺参数偏差等因素搅拌摩擦焊焊缝也可能会产生一些与熔化焊缺陷不同特征的缺陷。其中，未焊透缺陷（Lackofpenetration，LOP）是搅拌针长度不足或搅拌头下压量不够时在搅拌摩擦焊焊缝底部产生母材未完全结合或弱结合，具有紧贴细微、取向复杂等特点，很大程度地增加了检测难度。
2摩擦搅拌焊接新技术
Dawood等研究了螺纹锥形圆柱体、三角形和正方形三种不同形状的搅拌针对6061铝合金FSW接头的显微组织和力学性能的影响。研究表明，焊接工具的几何形状和尺寸对焊接接头的力学性能有一定的影响。使用三角形搅拌针获得的接头表现出最好的力学性能，正方形搅拌针得到的接头具有最低的拉伸强度和显微硬度。张丽娜等借助相控阵超声波检测技术检测了2219铝合金FSW焊缝缺陷。结果表明，相控阵超声波无损检测技术可检测出具有尺寸微小、结合紧密、取向复杂的面积型缺陷，是一种有效的FSW焊缝缺陷检测方法。周利等对含未焊透和孔洞缺陷的2219铝合金FSW接头进行一次、二次FSW补焊试验。补焊后材料流动性好，缺陷被消除。随着补焊次数增加，接头软化增加；一次补焊后接头抗拉强度达母材的67%以上，而二次补焊后接头力学性能下降。邓慕阳等在6061铝合金FSW过程中通过内部开槽的方式引入铝钛混粉，使其在焊接过程中发生原位反应生成金属间化合物颗粒，添加钛粉的焊后热处理能有效抑制异常晶粒长大，随焊接次数增加效果更明显，并能提高焊核区晶粒结构的热稳定性。
3铝合金搅拌摩擦焊表面冷喷涂层的结构与耐蚀性
3.1电化学腐蚀性能
相比涂层区和母材区，焊接区的自腐蚀电位波动较大，热影响区达到了–0.825V，耐腐蚀性能最差；焊核区由于经历了动态再结晶过程，组织均匀细小，表现出了很好的耐腐蚀性，自腐蚀电位仅为–0.475V。而在腐蚀电流方面，表现出了类似的趋势：母材区的腐蚀电流密度为9.900μA•cm–2，涂层区的腐蚀电流密度相对较低，为7.034μA•cm–2。腐蚀电流密度最大值出现在热影响区，达到了15.00μA•cm–2，远高于涂层区和母材区，耐腐蚀性能最差。这是由于搅拌摩擦焊过程会导致部分晶粒发生长大和变形，组织耐腐蚀性能变差，该区域一旦发生腐蚀，便会以更快速率进行扩展。焊核区的腐蚀电流密度最低，为6.026μA•cm–2，其耐腐蚀性能最好。
由此可见，FSW接头各区域耐腐蚀性能差异较大，腐蚀敏感区出现在热影响区。对接头进行冷喷涂层保护，不仅能够有效提高热影响区的耐腐蚀性，同时FSW接头的腐蚀电位更加趋于一致。
3.2结合强度
涂层与基体间的结合强度是衡量涂层性能的一个重要指标。经过拉伸实验发现，不同的铜涂层与基体均在涂层与基体的界面处断裂，说明涂层内聚强度大于涂层与基体间的结合强度。一般普遍认为，基体与冷喷涂涂层之间的粘结是基于基体和颗粒在冲击过程中的剧烈塑性变形而形成的。强烈的局部变形引起界面的绝热剪切失稳，从而使材料从界面中挤出，在边缘形成金属射流，在受到冲击后，界面处的薄氧化膜断裂，形成干净的界面。在部分新鲜金属表面可能由于应变产热，出现局部高温，产生类似爆炸焊接的冶金结合，提高结合强度。一般认为，颗粒速度起到了重要作用，在使用氮气作为气源时，气体速度随着温度增加而增加的幅度会逐渐降低，所以颗粒速度也存在一个极限范围，若需要继续提高结合强度则可以考虑使用氦气作为高压气源。
3.3晶间腐蚀性能
通过电化学结果初步判断，热影响区为接头腐蚀敏感区，故将热影响区和冷喷涂层分别浸入晶间腐蚀溶液。腐蚀进行6h后，对两者的耐晶间腐蚀程度进行对比分析。热影响区的腐蚀面积较大，腐蚀产物与基材发生严重分离，表明其腐蚀程度较深。而涂层区的最大腐蚀深度浅，且遭到腐蚀的涂层部分并未发现剥离现象。涂层颗粒表面虽然被侵蚀，但仍保持颗粒完整性，无腐蚀产物脱落现象发生。根据GB/T7998—2005标准对晶间腐蚀等级进行评定，涂层区等级为2级，而接头热影响区达到了3级。由此可见，涂层耐腐蚀性能明显优于接头热影响区，该结果与电化学实验结果相吻合。为了直观比对接头热影响区与涂层区的耐腐蚀性能，将带有冷喷涂层的FSW接头热影响区截面浸入晶间腐蚀溶液中，对不同时间下的腐蚀程度进行对比分析。对腐蚀试样进行去腐蚀产物处理后，利用数字显微镜对腐蚀形貌进行观察。形貌图中颜色越接近红色，其位置越高，说明该位置被腐蚀程度较低。而相反越接近于蓝色，其位置越低，说明其被腐蚀程度较高。当腐蚀6h后，接头和涂层区的高度相差不大，仅为3.3μm，说明其腐蚀程度相当，涂层区稍优于接头热影响区。腐蚀进行24h后，涂层区明显高于接头区，两者的最大高度差达到了57μm。结合电化学实验中的腐蚀电流密度数据，表明接头区域腐蚀扩展速率要明显快于涂层区。腐蚀形貌方面，接头表面凹凸不平，受到不均匀腐蚀程度较深，证明接头不同区域的耐腐蚀性差异较大。相比于接头区，涂层区腐蚀程度明显较低，且表面光整度较好，表现出很好的耐腐蚀性和腐蚀均一性。因此对FSW接头进行冷喷涂保护，不仅能够提高FSW接头的耐腐蚀性能，还能有效提高其腐蚀均一性。
结语
综上所述，通过对冷喷涂铜涂层的组织及性能的测试，研究了冷喷涂铜涂层热处理前后组织及性能的变化。冷喷涂层的耐腐蚀性能良好，耐腐蚀程度明显优于接头热影响区。晶间腐蚀24h后，FSW接头热影响区腐蚀深度比涂层腐蚀深度高出57μm。冷喷涂技术明显提高了FSW接头的耐腐蚀性能。
参考文献
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