時(shí)效制度對(duì)7005合金型材剝落腐蝕性能的影響

于金鳳

（叢林集團(tuán)有限公司，山東龍口265705）

時(shí)效制度對(duì)7005合金型材剝落腐蝕性能的影響

于金鳳

（叢林集團(tuán)有限公司，山東龍口265705）

采用電導(dǎo)率測(cè)試、透射電鏡、腐蝕浸泡試驗(yàn)研究了時(shí)效工藝對(duì)7005鋁合金型材微觀組織和剝落腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：較大的晶界第二相尺寸、間距，以及窄的晶界無沉淀析出帶有利于腐蝕性能的提高。雙級(jí)時(shí)效制度下的二級(jí)時(shí)效制度直接影響到型材的第二相形態(tài)和尺寸，進(jìn)而影響型材的剝落腐蝕性能。

7005合金；剝落腐蝕；時(shí)效工藝

0 前言

7005鋁合金型材常應(yīng)用于制造既要有高的強(qiáng)度又要有高的斷裂韌性的焊接結(jié)構(gòu)，如交通運(yùn)輸車輛的桁架、桿件、容器；大型熱交換器，以及焊接后不能進(jìn)行固熔處理的部件；體育器材如網(wǎng)球拍與壘球棒[1]。然而，該合金對(duì)局部腐蝕很敏感，容易發(fā)生晶間腐蝕、剝落腐蝕等，極大地限制了其應(yīng)用。剝落腐蝕是鋁合金主要局部腐蝕之一，對(duì)鋁合金的強(qiáng)度、塑性、疲勞性能等可造成極大的損害，縮短鋁合金的使用壽命。因此，本文通過微觀組織分析，研究時(shí)效制度對(duì)7005合金型材剝落腐蝕性能的影響，尋找可行性的途徑提升型材的剝落腐蝕性能。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)選用的材料為5 mm厚的7005鋁合金型材，合金的化學(xué)成分如表1所示。型材經(jīng)20MN擠壓機(jī)擠壓后在線風(fēng)冷，擠壓后的定尺型材在小爐進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效制度見表2。

表1 7005合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%)

表2 時(shí)效制度

1.2 性能測(cè)試及組織觀察

采用電導(dǎo)率儀測(cè)試樣品的電導(dǎo)率，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)取平均值。

采用Tecnai G2 F20場(chǎng)發(fā)射掃描透射電鏡觀察合金的組織。通過線切割切出厚度約1 mm，然后小心地在金相砂紙上預(yù)磨成至80μm、沖下直徑為3mm的圓片。用電解雙噴的方法制得透射電鏡樣品，雙噴液為硝酸∶甲醇=1∶4（體積比）的溶液，溫度通過液氮控制在-20℃。

剝落腐蝕試驗(yàn)按照HB 5455-1990標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣工作面積為40mm×100mm，試樣的中心面暴露于溶液中，其他部分用玻璃膠封住。溶液體系為234g/L氯化鈉+50 g/L硝酸鉀+6.5mL/L硝酸，溶液的面積容積比為20mL/cm2。浸泡48h后將試驗(yàn)取出觀察腐蝕情況，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定剝落等級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金的電導(dǎo)率

圖1所示為A、B、C三種制度下型材的電導(dǎo)率變化曲線。由圖可知，B時(shí)效制度下型材的電導(dǎo)率最高，A、C制度下型材的電導(dǎo)率相當(dāng)，明顯低于B時(shí)效制度，A時(shí)效制度下電導(dǎo)率稍高于C時(shí)效制度。合金的電導(dǎo)率結(jié)果與型材的剝落腐蝕檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖1 不同時(shí)效制度下合金的電導(dǎo)率

2.2 合金的微觀組織

圖2所示為A、B、C樣品晶界附近的透射組織照片，觀察不同時(shí)效制度下合金的微觀組織。晶界第二相呈斷續(xù)分布，主要為長(zhǎng)條形和橢圓狀，且晶界無沉淀析出帶明顯。統(tǒng)計(jì)多組A、B、C制度下合金第二相粒子的尺寸、晶界附近無沉淀析出帶寬度，結(jié)果見表3。對(duì)比晶界第二相平均尺寸：B＞A＞C；對(duì)比無沉淀析出帶平均寬度：B＜A＜C。B制度下晶界第二相的平均尺寸為114.8nm，無沉淀析出帶的平均寬度為79.4nm。晶界第二相粗化，晶界第二相間的相互間距增加，晶界第二相尺寸、間距和晶界無沉淀析出帶寬度的改變都會(huì)對(duì)合金的剝落腐蝕性能產(chǎn)生影響。晶界第二相尺寸較大、間距較大，以及窄的晶界無沉淀析出帶有利于腐蝕性能的提高。

圖2 不同時(shí)效制度條件下合金的TEM顯微組織

表3 樣品晶界附近基本信息統(tǒng)計(jì)

2.3 合金的剝落腐蝕性能

A、B、C試樣經(jīng)剝落腐蝕后的表面形貌如圖3所示。A試樣表面相當(dāng)多的區(qū)域有明顯的分層現(xiàn)象，且擴(kuò)展到合金內(nèi)部，可判斷試樣剝落腐蝕等級(jí)為EB；B試樣表面一些區(qū)域有起皮的特征和腐蝕產(chǎn)物，可觀察到輕微的層狀腐蝕痕跡，試樣表面的剝落腐蝕等級(jí)為EA。但與A試樣相比，被腐蝕的區(qū)域面積減小。C試樣整個(gè)表面均有明顯的分層現(xiàn)象，大面積的剝落，且有較大的腐蝕坑，深入合金內(nèi)部，此時(shí)剝落腐蝕等級(jí)到達(dá)EB+。

圖3 剝落腐蝕后的試樣表面形貌

3 分析與討論

3.1 電導(dǎo)率

合金電導(dǎo)率的大小與其抗剝落腐蝕性能呈正相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率的大小主要由合金元素、合金的固溶狀態(tài)、第二相析出與分布等微觀結(jié)構(gòu)因素決定[2]。按Mathiessen理論，多組元合金電導(dǎo)率主要受合金元素在鋁基體中固溶度變化的影響，固溶在鋁基體中的原子引起的點(diǎn)陣畸變對(duì)電子的散射作用比析出的第二相引起的散射作用強(qiáng)得多。A、B、C三種時(shí)效制度下的型材時(shí)效前均經(jīng)過相同的在線冷卻處理，過飽和固溶程度相同，型材電導(dǎo)率變化的主要因素有兩個(gè)方面：一是過飽和固溶體的分解使基體中固溶元素減少，合金電導(dǎo)率上升；其次是第二相粒子從過飽和固溶體中析出，使合金結(jié)構(gòu)由單相變?yōu)閺?fù)相，合金電導(dǎo)率下降。固溶原子對(duì)電導(dǎo)率的影響大于第二相的作用，時(shí)效過程中合金電導(dǎo)率會(huì)增加，不同時(shí)效制度下，電導(dǎo)率的變化反應(yīng)鋁基體固溶狀態(tài)和第二相狀態(tài)的變化。

3.2 晶界第二相

Al-Zn-Mg合金在時(shí)效過程中的析出按以下序列進(jìn)行：過飽和固溶體→共格GP區(qū)→半共格相η′(亞穩(wěn)態(tài)MgZn2)→非共格η相(平衡相MgZn2)。大量研究證明，Al-Zn-Mg合金的腐蝕敏感性與晶界析出物的特征有關(guān)[3]。剝落腐蝕本質(zhì)上是晶界上優(yōu)先發(fā)生腐蝕，當(dāng)晶粒平行于材料表面、呈寬而長(zhǎng)的扁平狀時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)物體積膨脹產(chǎn)生楔入力使合金產(chǎn)生剝落腐蝕。

A、B制度為雙級(jí)時(shí)效，分先低溫后高溫兩個(gè)階段。在低溫下主要獲得GP區(qū)為主的細(xì)小沉淀相，那些能在高溫時(shí)效溫度下穩(wěn)定存在的GP區(qū)優(yōu)先成核轉(zhuǎn)化為η′相，當(dāng)于成核階段；在后高溫階段，通過過渡相的沉淀和晶界結(jié)構(gòu)的變化，從而獲得均勻彌散的基體析出相和較大不連續(xù)的晶內(nèi)析出相結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于穩(wěn)定化階段[4]。雙級(jí)時(shí)效使得合金的晶內(nèi)和晶界析出相具有明顯的長(zhǎng)大和粗化特征，且隨第二級(jí)時(shí)效的進(jìn)行，晶內(nèi)和晶界析出物逐漸長(zhǎng)大，晶界析出相的分布變得更加彌散，為抗剝落腐蝕性能的提升提供了組織上的保證。

C制度分為三個(gè)階段，第一階段在較低的溫度下進(jìn)行預(yù)時(shí)效，相當(dāng)于成核階段；第二階段高溫時(shí)效，在高溫下晶內(nèi)的η′相又都溶解到固溶體內(nèi)，晶界上連續(xù)鏈狀析出相合并和聚集，不再連續(xù)分布；第三階段低溫時(shí)效，晶內(nèi)重新析出細(xì)小彌散的部分共格η′相，晶界仍為不連續(xù)的非共格析出相。

時(shí)效工藝對(duì)合金抗剝落腐蝕性能的影響主要是因?yàn)闀r(shí)效工藝可改變晶界析出相的尺寸和分布，進(jìn)而影響合金的抗剝落腐蝕性能。當(dāng)晶界析出相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布時(shí)，抗剝落腐蝕性能最差；而當(dāng)晶界析出相得分布呈不連續(xù)狀時(shí)，抗剝落腐蝕性能較好[5]。

對(duì)比A、B、C三種制度，一級(jí)時(shí)效溫度和時(shí)間均相同，影響到晶界第二相形態(tài)和尺寸的主要為二級(jí)時(shí)效制度。二級(jí)時(shí)效溫度均相同，時(shí)效時(shí)間越長(zhǎng)，晶界第二相逐漸粗化，各第二相的相互間距增加，從而剝落腐蝕程度降低。

3.3 無沉淀析出帶

鋁合金型材在線冷卻過程中獲得的過飽和空位是不穩(wěn)定的，在線冷卻、自然時(shí)效及人工時(shí)效時(shí)空位容易逸出晶界及其他缺陷處，結(jié)果形成從晶內(nèi)到晶界的空位濃度梯度?？瘴挥欣诿撊芟嘈魏?，有利于原子擴(kuò)散，促進(jìn)晶核擴(kuò)散式生長(zhǎng)。因此，當(dāng)晶界附近空位濃度低于一定值時(shí)，析出相不易形成，在一定條件下就導(dǎo)致無沉淀析出帶的形成。鋁合金淬火溫度升高，會(huì)導(dǎo)致空位過飽和程度增大，近晶界區(qū)空位濃度梯度變得更陡，若在線緩慢冷卻合金，則更多空位會(huì)流入晶界，導(dǎo)致無沉淀析出帶寬度的增加。同一個(gè)合金，在相同在線淬火溫度和相同淬火速率下，無沉淀析出帶寬度主要受時(shí)效制度的影響。

一般認(rèn)為，低溫時(shí)效時(shí)，鋁合金固溶體過飽和度增加，生成脫溶相的臨界空位濃度降低，相應(yīng)的無沉淀析出帶寬度減??；高溫時(shí)效時(shí)，晶界處脫溶較快，較早地析出第二相，因而吸收了附近的溶質(zhì)原子，使周圍基體溶質(zhì)貧乏而無法析出第二相，造成無沉淀析出帶[6]。在A、B、C三種制度下，B制度下無沉淀析出帶寬度最小。無沉淀析出帶屈服強(qiáng)度較低，在應(yīng)力作用下塑性變形容易集中在無沉淀帶內(nèi)。而且，發(fā)生塑性變形的無沉淀帶與其他部分相比呈陽極性，加速腐蝕的進(jìn)行。

4 結(jié)論

（1）晶界第二相尺寸較大、間距較大，以及窄的晶界無沉淀析出帶有利于腐蝕性能的提高。

（2）雙級(jí)時(shí)效制度下的二級(jí)時(shí)效制度直接影響到型材的第二相形態(tài)和尺寸，進(jìn)而影響型材的剝落腐蝕性能。

（3）合金電導(dǎo)率的大小與其抗剝落腐蝕性能呈正相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率越高，抗剝落腐蝕性能越好。

[1]肖亞慶，劉靜安.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012

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Influence of Aging Treatment on Exfoliation Corrosion Properties of 7005 Aluminum Alloy

YU Jin-feng
(Conglin Group Company,Longkou 265705，China)

The influences of aging treatments on the microstructure and exfoliation corrosion properties of 7005 aluminum alloy were studied using conductivity tests,exfoliation corrosion test and TEM.The results show that the larger size and spacing of the sec?ond phase of the grain boundary,as well as the narrow grain boundary precipitate free,are beneficial to the improvement of corrosion performance.The secondary aging system of the double stage aging system directly affects the shape and size of the second phase of the profile,and then affects the exfoliation corrosion of the profile.

7005 aluminum alloy；exfoliation corrosion；aging process

TG166.3，TG146.21

A

1005-4898(2017）05-0051-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.10

于金鳳（1990-），女，山東臨沂人，碩士研究生。

2017－01－20