曲鳳嬌，肖寶靚，曹 陽(yáng)，尤 媛，張 東

(營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營(yíng)口115000)

2024鋁合金是屬于Al-Cu系高強(qiáng)硬鋁合金，是一種可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，具有優(yōu)良的強(qiáng)度、硬度以及抗疲勞性能，主要應(yīng)用于航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]。2024鋁合金的主要元素為Cu，Cu能夠使鋁合金的腐蝕電位正移，導(dǎo)致鋁合金的耐蝕性下降，尤其在熱處理不當(dāng)時(shí)，2024鋁合金會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象，例如晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕等，這種局部腐蝕會(huì)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件造成巨大的破壞[2,3]。本文通過(guò)對(duì)2024鋁合金進(jìn)行固溶和人工時(shí)效處理來(lái)獲取不同時(shí)效狀態(tài)的樣品，然后采用SEM掃描電鏡和腐蝕試驗(yàn)研究2024鋁合金的顯微組織、腐蝕性能及腐蝕形貌，分析時(shí)效處理和腐蝕性能的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品為2024鋁合金擠壓型材，通過(guò)ARL-4460型直讀光譜儀對(duì)其成分進(jìn)行定性分析，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)結(jié)果為，Cu 4.348，Si 0.102，F(xiàn)e 0.147，Mn 0.573，Mg 1.498，Ti 0.016，Zn 0.153，Cr 0.007，Al 93.132。

1.2 性能測(cè)試

晶間腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7998-2005[4]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液由57g/L NaCl+10ml/L H2O2配制而成。試驗(yàn)前，將試樣浸入(1+9)氫氧化鈉溶液中10min，用水沖洗干凈后再浸入(3+7)的硝酸溶液中，以去除試樣表面的氧化膜層。試樣表面面積與試驗(yàn)溶液的體積之比不少于20mm2/ml，腐蝕溶液溫度為35℃，腐蝕時(shí)間為6h。腐蝕試驗(yàn)后在垂直主變形方向的一端切取5mm，按照ASTM E3[5]方法進(jìn)行金相試樣的制備，然后測(cè)量其晶間腐蝕最大深度。

剝落腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22639-2008[6]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液由234g/L NaCl+50g/L KNO3+6.3ml/LHNO3配制而成。試樣的非試驗(yàn)面使用防水膠帶保護(hù)，腐蝕溶液體積與試樣被浸表面面積之比在10ml/cm2～30ml/cm2之間，腐蝕溶液溫度為25℃，腐蝕時(shí)間為96h，然后在潮濕狀態(tài)下直接檢驗(yàn)試樣，評(píng)定腐蝕等級(jí)。

應(yīng)力腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22640-2008[7]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液為3.5%的NaCl溶液，腐蝕溶液體積和試樣面積比不少于30ml/cm2，并且每?jī)尚瞧趯?duì)腐蝕試驗(yàn)溶液進(jìn)行更換；具體試驗(yàn)參數(shù)為，試驗(yàn)方法為周期交替浸潤(rùn)法，溫度27℃，濕度(RH)45%，溶液pH值6.82，溶液浸泡時(shí)間10min，空氣暴露時(shí)間50min，試驗(yàn)總時(shí)間20d；試驗(yàn)時(shí)間為直至試樣出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)期間借助放大鏡觀察試樣表面，記錄試樣出現(xiàn)裂紋時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硬度測(cè)試

圖1是2024鋁合金在時(shí)效溫度為190℃時(shí)，不同時(shí)效時(shí)間與硬度的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金快速硬化，在4h達(dá)到峰值，硬度為159HV，隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，合金硬度開(kāi)始逐漸下降。綜上所述，本試驗(yàn)選擇2024鋁合金欠時(shí)效為190℃×2h、峰時(shí)效為190℃×4h、過(guò)時(shí)效為190℃×14h。

2.2 微觀形貌分析

圖2(a)為2024鋁合金經(jīng)過(guò)峰時(shí)效處理之后的SEM像，結(jié)果顯示2024鋁合金表面上的第二相顆粒呈不規(guī)則形狀，且分布不均，其尺寸在幾微米左右；對(duì)位置“1”進(jìn)行EDS能譜分析(圖2(b))，發(fā)現(xiàn)該顆粒含有Al、Mg、Cu、Si、Fe、Mn等，表明該顆粒主要是Al12(FeMn)3Si[8]，也有人認(rèn)為該大顆粒為AlCuFeMnSi[9]。此外，合金中還含有大量的彌散相Al20Cu2Mn3(T相)以及時(shí)效析出強(qiáng)化相Al2Cu(θ)和Al2CuMg(S相)[10]。

2.2 晶間腐蝕試驗(yàn)

圖3為2024鋁合金按照GB/T 7998-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)后，試樣的斷面形貌。由圖可知，欠時(shí)效試樣的最大腐蝕深度最深，達(dá)到213.19μm；峰時(shí)效試樣最大腐蝕深度居中，為174.34μm；過(guò)時(shí)效試樣最大腐蝕深度最淺，為146.26μm。結(jié)果表明，時(shí)效處理能夠改善2024鋁合金的晶間腐蝕敏感性，欠時(shí)效狀態(tài)下試樣的晶間腐蝕敏感性最大，峰時(shí)效次之，過(guò)時(shí)效最小，主要是因?yàn)榍窌r(shí)效狀態(tài)下，晶界上具有較寬的無(wú)沉淀帶，且析出粗大的沉淀相，而峰時(shí)效和過(guò)時(shí)效狀態(tài)下的無(wú)沉淀帶相對(duì)較窄，以及在晶界上析出較小和均勻分布的第二相粒子[11]。

2.3 剝落腐蝕試驗(yàn)

圖4為2024鋁合金剝落腐蝕試驗(yàn)后的表面宏觀形貌。結(jié)果顯示，欠時(shí)效試樣表面呈嚴(yán)重點(diǎn)蝕，出現(xiàn)爆皮現(xiàn)象，且已經(jīng)輕微的深入基體表面，腐蝕程度為PC級(jí)；峰時(shí)效試樣表面有大量翹起的片狀產(chǎn)物，表面有明顯的起層現(xiàn)象，腐蝕程度為EA級(jí)；過(guò)時(shí)效試樣表面僅出現(xiàn)輕微的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，腐蝕程度為PA級(jí)。綜上所述，2024鋁合金的剝落腐蝕敏感性與時(shí)效狀態(tài)密切相關(guān)，其剝落腐蝕敏感性由高到低依次為：峰時(shí)效>欠時(shí)效>過(guò)時(shí)效。主要是因?yàn)閯兟涓g由晶間腐蝕和內(nèi)應(yīng)力協(xié)同作用下產(chǎn)生的腐蝕過(guò)程，腐蝕發(fā)展到一定程度，由于不溶性腐蝕產(chǎn)物大于所消耗的金屬體積從而產(chǎn)生“楔入效應(yīng)”，導(dǎo)致金屬表面剝落。峰時(shí)效處理后的合金在晶界析出的強(qiáng)化相比欠時(shí)效處理的數(shù)量多，不溶性腐蝕產(chǎn)物增多，從而導(dǎo)致剝落腐蝕比較嚴(yán)重[12]。

2.4 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 22640-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2024鋁合金進(jìn)行恒應(yīng)變C型環(huán)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，加載應(yīng)力的大小為240MPa，由加載公式(1)計(jì)算確定徑向壓縮量后，對(duì)試樣進(jìn)行加載，加載后在4h內(nèi)放置在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)箱中，每2d觀察試樣表面裂紋萌生狀況。

(1)

式中，△為C環(huán)的徑向壓縮量，mm；f為試驗(yàn)應(yīng)力，MPa；D為C環(huán)的中徑，mm；E為材料的彈性模量，MPa；t為C環(huán)的壁厚，mm；Z為彎曲梁修正系數(shù)。

圖5為2024鋁合金應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后表面宏觀形貌。從腐蝕裂紋形貌中看到，欠時(shí)效試樣表面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，且裂紋呈斷斷續(xù)續(xù)、不規(guī)則形狀的曲線；峰時(shí)效試樣表面有大量點(diǎn)蝕坑存在，且點(diǎn)蝕坑已經(jīng)連接一起，形成裂紋萌生源；過(guò)時(shí)效試樣表面僅有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，但是無(wú)裂紋萌生現(xiàn)象。結(jié)果表明，恒應(yīng)變下2024鋁合金C型環(huán)試樣在裂紋萌生前期主要以點(diǎn)蝕成核為主，并隨時(shí)間延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑逐漸增多、長(zhǎng)大，形成裂紋萌生源，然后裂紋產(chǎn)生。2024鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性順序?yàn)椋窌r(shí)效最敏感、峰時(shí)效次之、過(guò)時(shí)效不敏感。

3 結(jié)論

(1)2024鋁合金表面粗大第二相顆?？赡転锳l12(FeMn)3Si或者AlCuFeMnSi，該大顆粒與Al基體構(gòu)成腐蝕原電池，引起腐蝕現(xiàn)象；

(2)時(shí)效處理對(duì)2024鋁合金腐蝕性能影響較大，其中對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性影響順序一致，由高到低為：欠時(shí)效>峰時(shí)效>過(guò)時(shí)效，主要是因?yàn)榍窌r(shí)效處理后的合金晶界呈連續(xù)分布的S相，形成連續(xù)的腐蝕通道，造成較嚴(yán)重的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，而峰時(shí)效處理后合金析出大量的彌散相和析出相S相，且呈不連續(xù)分布的S相，晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕相對(duì)較輕[13]；剝落腐蝕敏感性影響順序由高到低為：峰時(shí)效>欠時(shí)效>過(guò)時(shí)效，主要是因?yàn)榉鍟r(shí)效處理后的合金在晶界析出的強(qiáng)化相比欠時(shí)效處理的數(shù)量多，不溶性腐蝕產(chǎn)物增多，從而導(dǎo)致剝落腐蝕比較嚴(yán)重。