Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金的晶間腐蝕

牟 春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金的晶間腐蝕

牟 春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

簡(jiǎn)述了Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金晶間腐蝕的原理及其影響因素，從合金成分、加工工藝、熱處理三個(gè)方面分析了控制晶間腐蝕的方法。

Al-Cu-Mg合金；晶間腐蝕；成分；熱處理

1 晶間腐蝕原理

晶界是金屬晶粒間的錯(cuò)接區(qū)，是高能區(qū)，有更強(qiáng)的化學(xué)活性，因而在大多數(shù)情況下比晶粒本身腐蝕得快，形成晶間腐蝕。晶間腐蝕就是沿著晶粒邊界發(fā)生的選擇性腐蝕[1]。

Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金有晶間腐蝕傾向，晶間腐蝕是其腐蝕的主要類型，微電池電化學(xué)腐蝕是大家普遍認(rèn)可的晶間腐蝕發(fā)生的方式。

Al-Cu-Mg合金在淬火自然時(shí)效狀態(tài)下，理論上僅出現(xiàn)GP區(qū)，屬于均勻形核，具有普遍脫溶的性質(zhì)，應(yīng)該發(fā)生以點(diǎn)蝕為主的全面腐蝕。但在實(shí)際生產(chǎn)中，合金產(chǎn)品中始終存在大角度晶界、夾雜相的界面、亞晶界以及位錯(cuò)等，這些結(jié)構(gòu)有利于過(guò)渡相及平衡脫溶相的非均勻形核。所以實(shí)際情況是，合金淬火后優(yōu)先在晶間發(fā)生局部脫溶，局部脫溶會(huì)產(chǎn)生無(wú)沉淀帶(無(wú)脫溶相區(qū))。無(wú)沉淀帶(無(wú)脫溶相區(qū))與基體之間存在電位差，形成微電池腐蝕。無(wú)沉淀帶(無(wú)脫溶相區(qū))的電位較低，為電池的陽(yáng)極，優(yōu)先被腐蝕，腐蝕沿著晶間擴(kuò)展，形成晶間腐蝕。熱處理不當(dāng)時(shí)，合金在晶界上有CuAl2、AlXCuXMg等相沉淀，這些相與晶界或基體之間存在電位差，也會(huì)形成微電池腐蝕，引起更嚴(yán)重的晶界腐蝕。

2 晶間腐蝕的影響因素及控制方法

晶間腐蝕可通過(guò)控制引起晶間腐蝕的合金元素的含量、加工工藝以及熱處理規(guī)范的合理搭配與選擇來(lái)有效地控制晶間腐蝕的程度或降低晶間腐蝕敏感性。

2.1 合金元素與腐蝕性能的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，合金元素含量增高，耐蝕性降低。合金中Fe、Si雜質(zhì)越低，耐蝕性越好。

Cu含量為3%～5%的Al-Cu二元合金，在淬火自然時(shí)效狀態(tài)下耐蝕性能很低。加入0.5%的Mg，降低了α固溶體的電位，可部分改善合金的耐蝕性。Mg含量大于1%時(shí)，合金的局部腐蝕增加，腐蝕后伸長(zhǎng)率急劇降低[2]。

Al-Cu-Mg系合金中，Cu、Mg是主要合金元素，合金主要強(qiáng)化相為S相和θ相，以S相的過(guò)渡相強(qiáng)化效果最好，θ相的過(guò)渡相強(qiáng)化效果稍次。合金中同時(shí)存在S相和θ相的過(guò)渡相時(shí)，強(qiáng)化效果最大。一般情況下，合金中Cu∶Mg≤2.6時(shí)，形成S相，Cu∶Mg＞2.6時(shí)，形成S+θ相或θ相。含3%～4%Cu和0.5%～1.3%Mg的合金，其淬火自然時(shí)效效果最大[1]。

Cu含量大于4%、Mg含量大于1%的合金，Mg降低了Cu在鋁中的溶解度，合金在淬火狀態(tài)下，有不溶解的θ和S相，這些相的存在加速了腐蝕。Cu含量為3%-5%和Mg含量為1%～4%的合金，它們位于同一相區(qū)，在淬火自然時(shí)效狀態(tài)的耐蝕性相差不多。α-S相區(qū)的合金比α-θ-S區(qū)域合金的耐蝕性能差[2]。

Mn也是該系合金的主要元素，它的主要作用是消除Fe的有害影響和提高耐蝕性，Mn的添加量一般低于1%。Mn含量增加，可能改善應(yīng)力腐蝕性能，但形成粗大化合物的傾向加大，繼而可能惡化疲勞性能、斷裂韌度、高低溫力學(xué)性能等[2]。

2.2 加工工藝對(duì)腐蝕性能的影響

劉曉艷研究了Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag合金不同冷軋變形后人工峰值時(shí)效板材的腐蝕性能[3]。結(jié)果顯示，隨著冷軋變形量增大，合金抗晶間腐蝕能力提高。一方面，隨冷軋變形量增大，合金PFZ寬度逐漸減小。變形量越大，合金的再結(jié)晶晶粒越小，晶粒越多，淬火后分布到每一個(gè)晶界的空位數(shù)量越少，晶界析出相依靠空位擴(kuò)散進(jìn)行形核與長(zhǎng)大的優(yōu)勢(shì)與晶內(nèi)析出相相比降低。因此，隨著冷軋變形量增大，晶界析出相逐漸減少，消耗晶界附近的溶質(zhì)原子減少，PFZ變窄，腐蝕通道變窄，合金的電化學(xué)腐蝕性能逐漸提高。

另一方面，晶粒形貌對(duì)合金的電化學(xué)腐蝕性能也有一定影響。隨著冷軋變形量增大，再結(jié)晶晶粒逐漸減小。變形量越大，冷軋態(tài)合金晶粒變形程度越嚴(yán)重，變形儲(chǔ)能越大，在隨后的固溶處理過(guò)程中，合金的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，再結(jié)晶程度越大。變形量越大，冷軋態(tài)合金晶?？v橫比越大，固溶處理后，依附亞晶界形核的再結(jié)晶晶粒越小，合金內(nèi)形成的微電池越多，從而降低合金的抗電化學(xué)腐蝕性能。

2.3 熱處理工藝對(duì)腐蝕性能的影響

強(qiáng)亞宏對(duì)LY12合金在不同熱處理狀態(tài)下的晶間腐蝕進(jìn)行了研究，提出新相的析出及新相析出時(shí)所引起的貧乏區(qū)，以及雜質(zhì)在晶界處的富集，或者晶格的不連續(xù)等因素，都會(huì)造成晶間腐蝕傾向不同。結(jié)果表明：在自然時(shí)效、過(guò)時(shí)效等狀態(tài)下，LY12合金的晶間腐蝕傾向?。辉诳绽浯慊?、欠時(shí)效、人工峰值時(shí)效等熱處理狀態(tài)下，LY12合金的晶間腐蝕傾向比較嚴(yán)重[4]。

淬火冷卻速度對(duì)硬鋁合金的晶間腐蝕傾向有很大影響。在空氣中冷卻淬火時(shí)，由于冷卻緩慢，固溶的Cu元素等以粗大質(zhì)點(diǎn)形式沉淀出來(lái)，降低了固溶體的過(guò)飽和水平，減小了合金的時(shí)效硬化效果。同時(shí)晶粒邊界區(qū)內(nèi)發(fā)生顯著變化，固溶元素Cu有足夠時(shí)間在晶界上發(fā)生偏析，這些都會(huì)加大合金的晶間腐蝕傾向。

淬火+自然時(shí)效狀態(tài)，此時(shí)合金元素固溶于鋁中或僅出現(xiàn)GP區(qū)，尚無(wú)第二相析出，腐蝕情況表現(xiàn)為全面腐蝕，合金就沒(méi)有連續(xù)網(wǎng)狀金屬間化合物形成，無(wú)貧Cu區(qū)，基本不存在晶間腐蝕。

淬火+峰值人工時(shí)效處理，Cu大多生成第二相CuAl2，以連續(xù)網(wǎng)狀在晶界大量析出，使晶界附近含Cu量大大降低而成為貧Cu區(qū)，貧Cu區(qū)與基體存在電位差，發(fā)生晶間腐蝕。

淬火+過(guò)時(shí)效狀態(tài)下，時(shí)效溫度升高，時(shí)間延長(zhǎng)，可以將晶粒邊界上微電池的連續(xù)分布破壞，有效地消除貧Cu區(qū)，晶間腐蝕減輕，甚至優(yōu)于自然時(shí)效。

淬火+欠時(shí)效狀態(tài)下，由于時(shí)效時(shí)間不足，合金組織結(jié)構(gòu)來(lái)不及全部改變，使其晶間腐蝕比過(guò)時(shí)效要大，但比峰值人工時(shí)效要小。

尹作升研究了2024合金在退火態(tài)、T4態(tài)、150℃×9h、150℃×16h、190℃×9h、190℃×16h、230℃×9h、230℃×16h時(shí)效的晶間腐蝕性能。結(jié)果顯示，合金T4態(tài)晶間腐蝕敏感性最低，150×16h時(shí)效后合金晶間腐蝕最嚴(yán)重[5]。

王祝堂在《鋁合金及其加工手冊(cè)》(第二版)中說(shuō)，2A12T4材料190℃×12h時(shí)效后，再在125℃～170℃長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定化處理，或在200℃以上穩(wěn)定化處理，可消除晶間腐蝕[6]。

同時(shí)還認(rèn)為，人工時(shí)效前進(jìn)行預(yù)變形，可改善LY12（2024）合金的抗蝕性[6]。

3 結(jié)論

（1）Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金存在晶間腐蝕傾向，晶間腐蝕是其腐蝕的主要類型。淬火后大角度晶界、夾雜相的界面、亞晶界以及位錯(cuò)等部位優(yōu)先發(fā)生局部脫溶，造成晶界與基體存在電位差，微電池電化學(xué)腐蝕是其腐蝕的基本形式。

（2）降低主要合金元素含量、控制Fe、Si等雜質(zhì)、加大冷加工變形量、加大淬火冷卻速率、采取自然時(shí)效、人工時(shí)效前進(jìn)行預(yù)變形，或人工過(guò)時(shí)效處理等手段，有利于控制Al-Cu-Mg系高強(qiáng)鋁合金晶間腐蝕的程度或降低晶間腐蝕敏感性。

[1]王祝堂.鋁合金及其加工手冊(cè)(第二版)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2000

[2]肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004

[3]劉曉艷.冷軋變形量對(duì)Al-Cu-Mg-Ag新型耐熱鋁合金抗腐蝕性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2016，26(9)，1881-1884

[4]強(qiáng)亞宏.熱處理對(duì)LY12合金晶間腐蝕的影響[J].表面技術(shù)，1993，22(5)，228-229

[5]尹作升.熱處理制度對(duì)2024鋁合金晶間腐蝕和抗拉強(qiáng)度的影響[J].腐蝕與防護(hù)，2011，32(2)，108-112

[6]王祝堂.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1988

Intergranular Corrosion of Al-Cu-Mg High-strength Aluminum Alloy

MU Chun
(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)

Theory and influence factor of intergranular corrosion of Al-Cu-Mg high-strength aluminum alloy were narrated.Control methods of intergranular corrosion are analyzed from three aspects of chemical composition,process and heat treatment specification.

Al-Cu-Mg high-strength aluminum alloy;intergranular corrosion;chemical composition;heat treatment

TG146.21

A

1005-4898(2017)06-0022-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.04

牟春（1966－），男，四川巴中人，高級(jí)工程師。

2017－09－26