电弧增材制造（WAAM）凭借其制造成本低、沉积速率快、能量利用率高等特点，适用于结构复杂、大尺寸及快速近成型结构件。随着航空航天、国防兵器以及轨道交通等领域的零部件向高性能、轻量化、低成本等方面的发展，典型构件越来越多采用轻量一体化设计，推动了铝合金增材制造技术在这些领域的应用。然而，电弧增材制造过程中复杂的热循环作用促使高强铝合金发生冶金转变，导致合金化学性质的不均一性，使其耐腐蚀性能降低及在腐蚀介质中承载能力变差。本工作选用ER5356铝合金焊丝作为原材料，采用冷金属过渡（CMT）技术成功制备出形貌较好的堆积件，研究沉积方向不同部位的微观组织结构、电化学腐蚀特性以及慢应变速率应力腐蚀特征，并结合断口微观形貌分析等进一步揭示其腐蚀机制。

本工作聚焦于5356铝合金WAAM堆积体的微观组织结构、不同部位的电化学腐蚀特性以及沿堆积方向试样的慢应变速率应力腐蚀敏感指数，表征了堆积体织微观组织结构与耐腐蚀行为，揭示电弧增材5356铝合金材料腐蚀机制，为电弧增材5356铝合金材料耐腐蚀性提升以及工程应用提供理论支持。

图1为5356铝合金WAAM堆积体微观组织结构形貌，基体分为沉积层和结合层。沉积层组织为具有不明显相界的α-Al基体以及黑色细小颗粒状的β（Al₃Mg₂）相，结合层组织为α-Al基体和细小颗粒以及大块沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相。大块沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相是由于上层金属沉积过程中加热和冷速较快，热输入不足以使下层沉积金属中的β（Al₃Mg₂）相完全固溶，反而在冷却过程中促使镁元素进一步析出，并以离异共晶β（Al₃Mg₂）相的形态聚集长大。

图1 5356铝合金WAAM堆积体微观组织结构（a）和晶粒形貌（b）

图2和表1为5356铝合金WAAM堆积体不同部位的动电位极化曲线及结果。从自腐蚀电位来看，沉积层自腐蚀电位最高，说明其腐蚀倾向最小；从自腐蚀电流密度来看，结合层自腐蚀电流密度最高，沉积层的自腐蚀电流密度最低，为结合层的23%，说明结合层腐蚀速度最快，沉积层腐蚀最慢。不同部位腐蚀性能差异与其组织状态具有重要关系，结合层因聚集低腐蚀电位的大块离异共晶β（Al₃Mg₂）相，耐腐蚀性最差，是增材制造样件中耐腐蚀性最薄弱的部位。

图2 5356铝合金WAAM堆积体不同部位的动电位极化曲线

表1  动电位极化过程中试样不同部位对应的腐蚀特征结果

图3为5356铝合金WAAM堆积体试样在惰性和腐蚀性介质中慢应变速率拉伸应力-应变曲线，应力腐蚀敏感指数ISSRT为0.57。图4为试样在腐蚀性介质中断口SEM形貌，图4（b）为腐蚀裂纹萌生区和扩展区形貌，试样表面无缩颈，裂纹萌生区可见点状腐蚀坑。图4（c）为裂纹扩展区与塑性断裂区形貌，塑性断裂区呈韧窝状特征。对裂纹萌生区进一步放大，如图4（d）所示，可以看到晶界腐蚀空隙以及晶粒表面的点蚀坑，晶界空隙可能是由于沿晶分布的大块β（Al₃Mg₂）相被完全腐蚀而残留下来，点蚀坑则可能是由于沿晶分布的大块β（Al₃Mg₂）相表面呈颗粒状，经过腐蚀后原嵌入基体的颗粒状β（Al₃Mg₂）相消失，故在断口表面呈现出空穴状凹坑。

图3  5356铝合金WAAM堆积体慢应变速率应力腐蚀应力-应变曲线

图4 5356铝合金WAAM堆积体试样在3.5%NaCl腐蚀介质中的断口形貌

（a）全貌；（b），（c）图10（a）部分放大图；（d）图10（b）部分放大图

图5所示为慢应变速率应力腐蚀试样表面和剖面形貌，图5（b）为体视显微镜下惰性介质中试样表面形貌，试样表面局部存在个别细小裂纹，经磨抛腐蚀后发现其断裂位置为结合层，如图5（d）所示。图5（e）为图5（d）的局部放大，其失效模式为沿晶+穿晶复合开裂。图5（c）为体视显微镜下腐蚀介质中试样表面形貌，存在多处裂纹区，经抛光腐蚀后发现开裂位置为结合层，如图5（f）所示。局部放大后，从图5（g）可以看到其失效模式为沿晶开裂。可以分析得知，结合层处大块沿晶分布的β（Al₃Mg₂）相在惰性介质中对基体有割裂作用，在腐蚀性介质中大块β（Al₃Mg₂）相优先溶解，试样在拉应力作用下加速沿晶腐蚀开裂。

图5  5356铝合金WAAM堆积体应力腐蚀试样形貌 

（a）宏观形貌；（b）惰性介质中表面；（c）腐蚀介质中表面；（d），（e）惰性介质中断口剖面；（f），（g）腐蚀介质中断口剖面

本团队依托中国兵器工业第五二研究所烟台分所有限责任公司、中国兵器科学研究院宁波分院（理化检测与失效分析实验室），主要从事材料的理化表征测试、失效分析与司法鉴定以及可靠性评价方向的研究工作。多年来团队负责横纵向课题以及失效分析和司法鉴定等近百余项，参与国家/团体标准修制定工作六项，发表学术论文五十余篇。

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