提升2024T3鋁合金型材力學性能和晶間腐蝕性能的工藝研究

李德貴,王大群,閆春寶,張燕飛,于 峰,滿正良,張宇婷

(東北輕合金有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150060)

晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕形式,它使晶粒間的結合力大大減弱,材料強度顯著降低。由于晶間腐蝕不易發(fā)現(xiàn),常常造成材料突然破壞。1981年8月就曾因晶間腐蝕一架波音737飛機在高空飛行中失事。近年來,國內(nèi)多名學者也針對鋁合金晶間腐蝕性能開展相關的研究,白曉霞[1]等研究了6×××系鋁合金的晶間腐蝕評價方法。李有功[2]等研究了時效制度對7075鋁合金晶間腐蝕行為的影響。李海[3]等研究了固溶處理溫度對峰值時效7050鋁合金晶間腐蝕敏感性的影響。王操[4]等進行了不同取向7020鋁合金試樣的晶間腐蝕機理研究。鄭旭[5]等對2D12T4鋁合金薄壁管材晶間腐蝕工藝改進開展了研究。

2024T3型材是某重點型號產(chǎn)品,某鋁加工廠生產(chǎn)的該產(chǎn)品頻繁出現(xiàn)晶間腐蝕性能不達標、力學性能不合格的問題,影響了產(chǎn)品交付。為了徹底解決該問題,本項目研究了鑄錠均勻化、淬火冷卻條件等因素的影響,對晶間腐蝕進行觀察和深度測量,結合力學性能檢測,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝,保證了2024T3型材力學性能和晶間腐蝕性能滿足要求,實現(xiàn)了2024T3型材的順利交付。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及生產(chǎn)工藝流程

試驗用鋁合金鑄錠為國內(nèi)某鋁合金加工廠生產(chǎn)的2024鋁合金圓鑄錠,化學成分見表1。

表1 2024鋁合金的化學成分(質量分數(shù)/%)

圖1為2024T3鋁合金型材示意圖,陰影部分為晶間腐蝕檢測部位。采用的鑄錠規(guī)格為Φ110 mm×250 mm,鑄錠均勻化退火工藝制度為(480～495)℃8 h,在1250UT型號油壓機生產(chǎn),鑄錠實測溫度440 ℃～460 ℃,固溶工藝為(497～502)℃45 min。型材具體生產(chǎn)工藝流程:鑄錠加熱→擠壓→固溶處理(離線)→張力矯直→切頭尾、取樣→輥式矯直→手工矯直→成品鋸切→ 驗收交貨。

圖1 2024T3鋁合金型材示意圖

1.2 試驗方法

本試驗通過對比分析的方法,分別研究了固溶處理冷卻條件、鑄錠均勻化工藝等因素對2024T3鋁合金型材力學性能和晶間腐蝕性能的影響,從而總結并提出2024T3型材滿足材料規(guī)范要求的工藝條件。

使用AG-Xplus250KN電子萬能試驗機對合金型材進行力學性能測試;參考GB/T7998-2005鋁合金晶間腐蝕測定方法,腐蝕溶液為57 g NaCl+10 mL H2O2/1 000 mL H2O,試驗溫度選擇35 ℃±2 ℃,使用蔡司200MAT金相顯微鏡進行晶間腐蝕觀察和深度測量。

2 試驗結果及分析

2.1 鑄錠均勻化工藝對晶間腐蝕性能的影響

圖2為2024鋁合金鑄錠均勻化退火前后的顯微組織。從圖2a中可以看出,未均勻化的鑄錠顯微組織中枝晶網(wǎng)較為連續(xù);從圖2b中可以看出,鑄錠經(jīng)過均勻化退火后,枝晶網(wǎng)絡已大部分斷開,基體有大量細小彌散的化合物析出。

圖2 2024鋁合金鑄錠鋁顯微組織

采用均勻化鑄錠和未均勻化鑄錠同時開展擠壓試驗,在固溶后進行了晶間腐蝕深度檢測,結果如圖3和表2所示。從圖3和表2可以看出,采用未均勻化鑄錠擠壓生產(chǎn)的2024鋁合金型材,晶間腐蝕深度明顯小于均勻化鑄錠擠壓的。

圖4 Al-Cu-Mg系三元合金狀態(tài)圖

表2 不同均勻化類型鑄錠擠壓型材晶間腐蝕深度

晶間腐蝕是局部電池作用的結果。沿晶粒邊緣沉淀的第二相與固溶體之間由于腐蝕電位的不同,形成了電池,發(fā)生晶間腐蝕。

對于Al-Cu-Mg系合金,當晶界上析出連續(xù)富銅的CuAl2相時,晶界上將產(chǎn)生貧銅區(qū),CuAl2與晶界貧銅區(qū)組成腐蝕電池,晶界貧銅區(qū)為陽極,即可發(fā)生晶間腐蝕。當采用未均勻化處理時鑄錠生產(chǎn)2024T3型材時,固溶淬火后固溶的合金元素相對較少,未回溶的含Cu相成為CuAl2析出相的形核位置,從而將減弱晶界上析出連續(xù)的CuAl2相,減少了貧銅區(qū)的形成,進而減少了晶間腐蝕的發(fā)生。因此,本試驗采用未均勻化鑄錠擠壓的型材的抗晶間腐蝕性能比均勻化鑄錠擠壓的型材更優(yōu)。

2.2 固溶處理冷卻工藝對晶間腐蝕性能的影響

眾多研究表明,固溶處理冷卻工藝對2024鋁合金型材的晶間腐蝕性能有較明顯的影響。本試驗對2024T3鋁合金型材分別在18 ℃和35 ℃的水溫條件下快速冷卻,轉移時間控制在15 s以內(nèi),并分別進行晶間腐蝕深度測量,結果見表3。從表3中可以看出,當轉移時間相同時,低水溫冷卻是控制型材晶間腐蝕性能的有效方法之一。

表3 不同冷卻條件固溶處理的2024T3型材的晶間腐蝕深度

從Al-Cu-Mg系三元合金狀態(tài)圖(圖3)可知,2024鋁合金的主要強化項為θ和S相,這些相對于鋁基體而言,都是陰極相,在腐蝕介質中會加速基體腐蝕。合金在固溶處理過程中,溶質原子在晶界上發(fā)生非平衡偏聚,形成許多富溶質層,而晶界附近形成貧溶質區(qū)。當冷卻速度很快時,溫度降低很快,第二相沒有足夠時間形核析出[6],當冷卻速度比較慢時,固溶時溶解的θ和S相會在晶界上重新析出,而沿晶界則出現(xiàn)無沉淀帶,即貧銅區(qū),最后的室溫組織為α(Al)+θ+S三相共晶[7],降低合金的抗蝕性能。本試驗采用低水溫快速冷卻工藝,實際是加快了型材的固溶冷卻速度,表現(xiàn)為抗腐蝕能力增強。

2.3 鑄錠均勻化工藝對2024T3鋁合金型材組織和力學性能的影響

分別采用均勻化鑄錠和未均勻化鑄錠進行擠壓的型材顯微組織如圖5所示。從圖5可以看出,未均勻化的型材顯微組織枝晶網(wǎng)狀結構已經(jīng)完全破碎,殘余相十分細小,且彌散分布于基體。均勻化后擠壓的型材可以看到,殘余相被伸長,且破碎的殘余相之間距離最小,殘余相較密集。

圖5 2024T3鋁合金型材顯微觀察照片

分別使用均勻化鑄錠和未均勻化鑄錠生產(chǎn)2024T3鋁合金型材的力學性能和晶間腐蝕性能如圖6所示。從圖6中可以看出,使用未均勻化鑄錠生產(chǎn)的型材力學性能(圖6a、b)提升明顯,與標準值留有一定余量。未均勻化鑄錠生產(chǎn)的2024T3鋁合金型材晶間腐蝕深度值(圖6c)均滿足標準值要求,較均勻化鑄錠生產(chǎn)的型材有較明顯的提升。

以往2024T3鋁合金型材采用均勻化后的鑄錠擠壓。鑄錠均勻化退火對擠壓效應有明顯的影響,均勻化退火溫度越高,保溫時間越長,冷卻速度越慢,擠壓效應損失越大[8]。本項目中,采用未均勻化鑄錠,在440 ℃～460 ℃進行高溫擠壓,充分利用了擠壓效應、彌散強化的效果,從而顯著提升了2024T3鋁合金型材的力學性能,滿足了產(chǎn)品技術規(guī)范的指標要求。

3 結 論

1)在擠壓溫度為440 ℃～460 ℃,固溶制度為(497～502)℃45 min,轉移時間不大于15 s的工藝條件下,冷卻水溫從35 ℃降為18 ℃,2024T3鋁合金型材的抗晶間腐蝕性能得到提升。

2)與(480～495)℃8 h均勻化退火的鑄錠相比,生產(chǎn)的2024T3鋁合金型材的力學性能和抗晶間腐蝕性能更好。