淬火工藝參數(shù)對(duì)2024合金晶間腐蝕的影響

李廣欽,王繼成,翟德斌

(核興航材(天津)科技股份有限公司,天津 300300)

2024鋁合金屬于高強(qiáng)度的2xxx系鋁銅合金,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)(蒙皮、骨架、隔框等)、鉚釘、導(dǎo)彈構(gòu)件、螺旋槳元件及其他各種結(jié)構(gòu)件。合金的特點(diǎn)是強(qiáng)度高,其耐熱和加工性能良好,但是耐蝕性不如其他合金,在一定條件下會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕[1],而且腐蝕萌生位置往往是裂紋擴(kuò)展的源頭。鋁合金腐蝕不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失,而且疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、常規(guī)強(qiáng)度及抗蝕性能并列為鋁合金的四項(xiàng)主要指標(biāo),只有在這幾方面都滿足設(shè)計(jì)和使用要求時(shí),才稱得上具備了良好的綜合性能[2,3]。許多研究人員對(duì)鋁合金的腐蝕問題進(jìn)行了深入研究,研究重點(diǎn)集中在2xxx系和7xxx系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕上。

在2024鋁合金型材生產(chǎn)過程中,因淬火后制品晶間腐蝕最大深度超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,造成了較高的廢品率,提高生產(chǎn)成本的同時(shí),對(duì)供貨及時(shí)性也造成了一定影響。通過研究分析淬火工藝參數(shù)對(duì)2024鋁合金擠壓型材晶間腐蝕性能的影響,確定合適的淬火處理工藝制度,在保證制品室溫力學(xué)性能的同時(shí),使得晶間腐蝕性能滿足技術(shù)要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)所用的材料是經(jīng)擠壓工藝加工成的型材,型材的厚度3.2mm;合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.06,Fe 0.28,Cu 4.14,Mn 0.49,Mg 1.50,Ni 0.01,Zn 0.06,Ti 0.01。依據(jù)文獻(xiàn)中的研究結(jié)果,為保證室溫力學(xué)性能(淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15s,淬火溫度不能低于493℃,保溫時(shí)間要大于20min[1,3]),試驗(yàn)方案見表1,其中淬火升溫時(shí)間都為20min,采用自然時(shí)效。

表1 試驗(yàn)方案

室溫力學(xué)性能在島津AGS-X100KN萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試;用OLYMPUS BX51光學(xué)金相顯微鏡觀察分析金相;采用GB/T7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》中的方法進(jìn)行試樣晶間腐蝕試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 室溫力學(xué)性能

試樣的室溫力學(xué)性能如圖1所示?？梢钥闯?在494℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),抗拉強(qiáng)度逐漸提高;在500℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),抗拉強(qiáng)度先升高,后略有下降。在同一溫度和保溫時(shí)間內(nèi),隨著轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長(zhǎng),所有方案試樣的抗拉強(qiáng)度均有所下降;在保溫時(shí)間分別為20min和30min時(shí),隨著淬火溫度的升高抗拉強(qiáng)度有所提高;在保溫時(shí)間為40min時(shí),隨著淬火溫度的升高抗拉強(qiáng)度有所降低。屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。所有方案試樣室溫力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。

(a)494℃ (b)500℃

2.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕的最大深度分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 晶間腐蝕最大深度

可以看出,在494℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶間腐蝕最大深度明顯下降;在500℃,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶間腐蝕最大深度先下降而后略微上升。在相同保溫時(shí)間下隨淬火溫度的升高,晶間腐蝕最大深度整體呈下降趨勢(shì),但保溫40min時(shí)隨溫度升高晶間腐蝕最大深度有所上升。在相同溫度和保溫時(shí)間下,隨著轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長(zhǎng),晶間腐蝕最大深度有明顯的增加。

晶間腐蝕的形貌如圖3所示,圖中,(a)～(l)對(duì)應(yīng)1～12號(hào)方案試樣。圖(d)(h)形貌中,晶間腐蝕深度最大值明顯增加,是因?yàn)樵嚇泳植砍霈F(xiàn)較深腐蝕點(diǎn)所致。這些腐蝕點(diǎn)是由鋁合金表面粗大第二相顆粒(可能是Al12(FeMn)3Si或者AlCuFeMnSi)與基體構(gòu)成腐蝕原電池引起的腐蝕[4]。從形貌圖(e)(g)(i)(k)(l)可以看出,試樣腐蝕最大深度處形貌呈現(xiàn)出點(diǎn)腐蝕的狀態(tài),還沒有發(fā)展成為連續(xù)的晶間腐蝕,說明此狀態(tài)下的試樣抗晶間腐蝕性能良好,這也與所測(cè)得的相應(yīng)晶間腐蝕最大深度數(shù)值較小相一致。對(duì)于高含銅(含銅量質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%左右)的合金,由于含銅結(jié)晶相的數(shù)量相應(yīng)增多、尺寸增大,容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕[5]。隨著抗腐蝕能力的進(jìn)一步降低,會(huì)形成較為連續(xù)的晶間腐蝕,如圖(a)(c)(d)(h)(j)所示;晶間腐蝕比點(diǎn)腐蝕擴(kuò)展的速度快,會(huì)向整個(gè)表面擴(kuò)展,最終發(fā)展成剝落腐蝕,如圖(b)(f)所示。

圖3 晶間腐蝕形貌

2.3 討論

晶間腐蝕是合金中晶界處不同的組織和結(jié)構(gòu)存在電極電位差,當(dāng)存在腐蝕介質(zhì)時(shí),構(gòu)成三極微電池,陽極溶解,造成沿晶的選擇性腐蝕。對(duì)于既定的合金,晶間腐蝕傾向主要取決于顯微組織類型,特別是第二相的性質(zhì)、尺寸和分布[2]。淬火處理是將第二相粒子溶解到鋁基體內(nèi),獲得過飽和固溶體,通過影響合金的過飽和程度來影響時(shí)效析出驅(qū)動(dòng)力及析出相數(shù)量、大小和分布,進(jìn)而影響合金的性能[6]。對(duì)于2024合金,隨著淬火溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),晶界處的第二相CuAl2和S相逐漸固溶,提高了固溶體的過飽和度,淬火后自然時(shí)效時(shí)能夠更有效地析出彌散的強(qiáng)化相,提升合金的強(qiáng)度。隨著晶界處的CuAl2和S相不斷固溶,晶界處第二相數(shù)目減少、間距增大、尺寸減小,同時(shí)晶界臨近區(qū)域形成溶質(zhì)元素的貧化帶區(qū)域(PFZ)也減小,降低了晶界沉淀相、溶質(zhì)貧化帶及晶粒本體電極電位差,從而提高了合金的抗晶間腐蝕性能;過飽和度的提升,使得時(shí)效時(shí)晶內(nèi)析出相更為細(xì)小、均勻,也會(huì)降低腐蝕的速率[6]。但是在高溫和長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí),變形晶粒再結(jié)晶并且逐漸長(zhǎng)大(圖4),晶粒界面減小,使得晶界處第二相密度增加,甚至成連續(xù)分布,會(huì)降低合金的強(qiáng)度和抗晶間腐蝕性能。當(dāng)晶粒長(zhǎng)大對(duì)合金強(qiáng)度和晶間腐蝕性能的影響程度超過了第二相固溶的影響程度時(shí),合金的強(qiáng)度和抗晶間腐蝕性能就會(huì)下降,如上所述,500℃保溫40min時(shí)的強(qiáng)度和晶間腐蝕性能都有所下降。減少淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間可以降低晶粒長(zhǎng)大對(duì)合金晶間腐蝕性能的不良影響。

(a)結(jié)晶的晶粒;(b)已經(jīng)長(zhǎng)大的晶粒

隨著淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)降低制品的冷卻速度。在淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間內(nèi),CuAl2和S相會(huì)從過飽和的固溶體中沿著晶界大量析出,使第二相的尺寸增加,分布間距減小,甚至呈連續(xù)分布的狀態(tài)。同時(shí)PFZ區(qū)域增加,晶界處不同組織和結(jié)構(gòu)的差異增大,即電極電位差增大,從而降低合金晶間腐蝕性能;同時(shí)也會(huì)降低固溶體的過飽和度,時(shí)效時(shí)析出的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減弱,導(dǎo)致析出相的數(shù)量減少、尺寸增大。當(dāng)晶界陽極性析出相連續(xù)分布或間距過小時(shí),陽極相一旦發(fā)生腐蝕,其相鄰的陽極相就會(huì)暴露于腐蝕介質(zhì)中,形成連續(xù)的腐蝕通道,使合金容易產(chǎn)生晶間腐蝕,進(jìn)一步導(dǎo)致全面腐蝕[6]。而短的淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間,阻止了第二相在晶間的局部脫溶[3],能夠明顯地改善合金晶界處的組織和結(jié)構(gòu),以及固溶體的過飽和度和時(shí)效時(shí)析出相的數(shù)量、尺寸和分布,從而提升晶間腐蝕性能。

固溶體的固溶度是合金強(qiáng)度和抗晶間腐蝕性能的最終影響因素,淬火溫度、保溫時(shí)間、淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的變化都對(duì)固溶度產(chǎn)生了影響。在低溫淬火時(shí),保溫時(shí)間對(duì)合金晶間腐蝕性能的影響更為明顯;隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),溫度對(duì)晶間腐蝕性能的影響會(huì)逐漸減弱;淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)合金晶間腐蝕的影響更為顯著,隨著固溶度的提高,其影響會(huì)逐漸減弱。

2024合金在490℃淬火時(shí),部分相開始固溶,在502℃淬火時(shí),中間相有非常明顯的固溶,但是該合金有強(qiáng)烈的過燒敏感性,過燒溫度在505℃[7],所以生產(chǎn)時(shí)確定淬火溫度為500℃,保溫時(shí)間為30min。根據(jù)技術(shù)要求晶間腐蝕最大深度小于125μm的要求,為了保證晶間腐蝕性能能夠滿足要求,淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間最好控制在5s以內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)淬火溫度、保溫時(shí)間、淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間都會(huì)對(duì)2024擠壓型材的強(qiáng)度和晶間腐蝕性能產(chǎn)生影響,淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響更顯著。

(2)采用500℃保溫30min淬火,淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在5s內(nèi),能夠使第二相CuAl2和S相充分固溶,形成更大過飽和度的固溶體,同時(shí)晶粒未發(fā)生明顯長(zhǎng)大,在保證力學(xué)性能滿足技術(shù)要求的同時(shí),使晶間腐蝕最大深度不大于100μm,滿足技術(shù)要求。