電弧增材制造（WAAM）憑借其制造成本低、沉積速率快、能量利用率高等特點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大尺寸及快速近成型結(jié)構(gòu)件。隨著航空航天、國防兵器以及軌道交通等領(lǐng)域的零部件向高性能、輕量化、低成本等方面的發(fā)展，典型構(gòu)件越來越多采用輕量一體化設(shè)計(jì)，推動(dòng)了鋁合金增材制造技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，電弧增材制造過程中復(fù)雜的熱循環(huán)作用促使高強(qiáng)鋁合金發(fā)生冶金轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致合金化學(xué)性質(zhì)的不均一性，使其耐腐蝕性能降低及在腐蝕介質(zhì)中承載能力變差。本工作選用ER5356鋁合金焊絲作為原材料，采用冷金屬過渡（CMT）技術(shù)成功制備出形貌較好的堆積件，研究沉積方向不同部位的微觀組織結(jié)構(gòu)、電化學(xué)腐蝕特性以及慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕特征，并結(jié)合斷口微觀形貌分析等進(jìn)一步揭示其腐蝕機(jī)制。

本工作聚焦于5356鋁合金WAAM堆積體的微觀組織結(jié)構(gòu)、不同部位的電化學(xué)腐蝕特性以及沿堆積方向試樣的慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)，表征了堆積體織微觀組織結(jié)構(gòu)與耐腐蝕行為，揭示電弧增材5356鋁合金材料腐蝕機(jī)制，為電弧增材5356鋁合金材料耐腐蝕性提升以及工程應(yīng)用提供理論支持。

圖1為5356鋁合金WAAM堆積體微觀組織結(jié)構(gòu)形貌，基體分為沉積層和結(jié)合層。沉積層組織為具有不明顯相界的α-Al基體以及黑色細(xì)小顆粒狀的β（Al₃Mg₂）相，結(jié)合層組織為α-Al基體和細(xì)小顆粒以及大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相。大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相是由于上層金屬沉積過程中加熱和冷速較快，熱輸入不足以使下層沉積金屬中的β（Al₃Mg₂）相完全固溶，反而在冷卻過程中促使鎂元素進(jìn)一步析出，并以離異共晶β（Al₃Mg₂）相的形態(tài)聚集長大。

圖1 5356鋁合金WAAM堆積體微觀組織結(jié)構(gòu)（a）和晶粒形貌（b）

圖2和表1為5356鋁合金WAAM堆積體不同部位的動(dòng)電位極化曲線及結(jié)果。從自腐蝕電位來看，沉積層自腐蝕電位最高，說明其腐蝕傾向最小；從自腐蝕電流密度來看，結(jié)合層自腐蝕電流密度最高，沉積層的自腐蝕電流密度最低，為結(jié)合層的23%，說明結(jié)合層腐蝕速度最快，沉積層腐蝕最慢。不同部位腐蝕性能差異與其組織狀態(tài)具有重要關(guān)系，結(jié)合層因聚集低腐蝕電位的大塊離異共晶β（Al₃Mg₂）相，耐腐蝕性最差，是增材制造樣件中耐腐蝕性最薄弱的部位。

圖2 5356鋁合金WAAM堆積體不同部位的動(dòng)電位極化曲線

表1  動(dòng)電位極化過程中試樣不同部位對應(yīng)的腐蝕特征結(jié)果

圖3為5356鋁合金WAAM堆積體試樣在惰性和腐蝕性介質(zhì)中慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT為0.57。圖4為試樣在腐蝕性介質(zhì)中斷口SEM形貌，圖4（b）為腐蝕裂紋萌生區(qū)和擴(kuò)展區(qū)形貌，試樣表面無縮頸，裂紋萌生區(qū)可見點(diǎn)狀腐蝕坑。圖4（c）為裂紋擴(kuò)展區(qū)與塑性斷裂區(qū)形貌，塑性斷裂區(qū)呈韌窩狀特征。對裂紋萌生區(qū)進(jìn)一步放大，如圖4（d）所示，可以看到晶界腐蝕空隙以及晶粒表面的點(diǎn)蝕坑，晶界空隙可能是由于沿晶分布的大塊β（Al₃Mg₂）相被完全腐蝕而殘留下來，點(diǎn)蝕坑則可能是由于沿晶分布的大塊β（Al₃Mg₂）相表面呈顆粒狀，經(jīng)過腐蝕后原嵌入基體的顆粒狀β（Al₃Mg₂）相消失，故在斷口表面呈現(xiàn)出空穴狀凹坑。

圖3  5356鋁合金WAAM堆積體慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 5356鋁合金WAAM堆積體試樣在3.5%NaCl腐蝕介質(zhì)中的斷口形貌

（a）全貌；（b），（c）圖10（a）部分放大圖；（d）圖10（b）部分放大圖

圖5所示為慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試樣表面和剖面形貌，圖5（b）為體視顯微鏡下惰性介質(zhì)中試樣表面形貌，試樣表面局部存在個(gè)別細(xì)小裂紋，經(jīng)磨拋腐蝕后發(fā)現(xiàn)其斷裂位置為結(jié)合層，如圖5（d）所示。圖5（e）為圖5（d）的局部放大，其失效模式為沿晶+穿晶復(fù)合開裂。圖5（c）為體視顯微鏡下腐蝕介質(zhì)中試樣表面形貌，存在多處裂紋區(qū)，經(jīng)拋光腐蝕后發(fā)現(xiàn)開裂位置為結(jié)合層，如圖5（f）所示。局部放大后，從圖5（g）可以看到其失效模式為沿晶開裂。可以分析得知，結(jié)合層處大塊沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相在惰性介質(zhì)中對基體有割裂作用，在腐蝕性介質(zhì)中大塊β（Al₃Mg₂）相優(yōu)先溶解，試樣在拉應(yīng)力作用下加速沿晶腐蝕開裂。

圖5  5356鋁合金WAAM堆積體應(yīng)力腐蝕試樣形貌 

（a）宏觀形貌；（b）惰性介質(zhì)中表面；（c）腐蝕介質(zhì)中表面；（d），（e）惰性介質(zhì)中斷口剖面；（f），（g）腐蝕介質(zhì)中斷口剖面

本團(tuán)隊(duì)依托中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所有限責(zé)任公司、中國兵器科學(xué)研究院寧波分院（理化檢測與失效分析實(shí)驗(yàn)室），主要從事材料的理化表征測試、失效分析與司法鑒定以及可靠性評價(jià)方向的研究工作。多年來團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)橫縱向課題以及失效分析和司法鑒定等近百余項(xiàng)，參與國家/團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)修制定工作六項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文五十余篇。

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