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        7075厚板陽(yáng)極氧化截面色差研究

        2021-05-17 10:55:28周澤宇溫慶紅
        鋁加工 2021年2期
        關(guān)鍵詞:厚板偏析淬火

        肖 翔,周澤宇,高 崇,劉 成,溫慶紅

        (1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司,北京102209;2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶401326)

        0 前言

        7×××系鋁合金由于具有比強(qiáng)度高、密度小、彈性模量大、加工性能好等突出的優(yōu)良特性,被廣泛用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件[1-2]。為了達(dá)到一定的力學(xué)性能,鋁合金中添加的Zn、Mg和Cu等合金化元素會(huì)明顯降低合金的耐腐蝕性能,而耐腐蝕性能是衡量鋁合金的重要性能指標(biāo)之一,因而提高鋁合金的耐腐蝕性能使其得到更廣泛的應(yīng)用非常重要。陽(yáng)極氧化處理是提高鋁合金的耐蝕性及耐磨性的有效方法。通過(guò)改變電解液的類型、濃度及其他工藝條件可得到滿足不同性能要求的陽(yáng)極氧化膜。而對(duì)于高品質(zhì)表面的鋁合金材料來(lái)說(shuō),陽(yáng)極氧化后的表面質(zhì)量顯得尤為重要。完成陽(yáng)極氧化后的鋁或鋁合金可能出現(xiàn)一定的外觀缺陷[3-8],如氧化泛黃、著色不均等,從而影響合金的正常使用。

        對(duì)于具有一定合金化程度的7×××系厚板來(lái)說(shuō),陽(yáng)極氧化后容易出現(xiàn)厚度截面色差缺陷,影響厚板陽(yáng)極化后的表面質(zhì)量。王春暉[9]等研究了熱軋道次加工率、中間退火溫度、冷軋加工率對(duì)5052鋁合金板材厚度方向組織均勻性和性能的影響,研究結(jié)果表明5052 鋁合金板材氧化著色后是否出現(xiàn)“亮線”主要是由板材的組織均勻性決定的,通過(guò)退火和冷變形工藝優(yōu)化可以調(diào)整組織均勻性,減少“亮線”。劉詩(shī)超[10]等研究了鋁合金鍛件陽(yáng)極氧化膜發(fā)黑缺陷。他們發(fā)現(xiàn),陽(yáng)極氧化過(guò)程中晶粒內(nèi)部大量存在的可溶性彌散析出相造成了氧化膜中的大量細(xì)小孔洞缺陷,這些缺陷徹底改變了氧化膜的結(jié)構(gòu),造成了氧化膜顏色發(fā)黑嚴(yán)重。目前已知的影響鋁合金陽(yáng)極氧化后色差的因素主要是鋁合金材料因素,如區(qū)域偏析、第二相分布、織構(gòu)分布等,但是對(duì)于影響7×××系厚板截面異色的影響機(jī)制仍不清楚。

        本文系統(tǒng)研究了淬火冷卻速率和宏觀偏析對(duì)于陽(yáng)極氧化后截面異色的影響,采用熱壓縮研究了不同淬火冷卻速率下7075 厚板不同厚度截面上顯微組織和陽(yáng)極氧化性能,最終獲得了淬火冷卻速率對(duì)7×××系厚板陽(yáng)極氧化色差缺陷的影響規(guī)律。

        1 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試方法

        1.1 冷卻速度模擬

        試驗(yàn)材料為60 mm 厚7075 鋁合金商用厚板。對(duì)其心部和邊部樣品預(yù)先進(jìn)行475 ℃/80 min固溶處理,隨后在3500 Gleeble 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行短時(shí)475 ℃/10 min 固溶保溫,最后分別在10 ℃/s、40 ℃/s 及70 ℃/s不同淬火冷卻速率下進(jìn)行冷卻處理。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示,實(shí)測(cè)降溫曲線如圖1所示。固溶后切取部分樣品進(jìn)行T6時(shí)效處理。

        表1 熱壓縮試驗(yàn)方案

        圖1 Gleeble實(shí)測(cè)降溫曲線

        1.2 陽(yáng)極氧化膜制備及色差分析

        采用硫酸進(jìn)行陽(yáng)極氧化,電解液為210 g/L H2SO4溶液,陽(yáng)極氧化溫度為30 ℃,電流密度控制為1.4 A/dm2。采用YS3060 高精度分光測(cè)色儀測(cè)試陽(yáng)極氧化后7075 鋁合金厚板截面不同位置的明度L值。采用GD profile 2輝光放電光譜儀(GDOES)對(duì)陽(yáng)極氧化膜及基體成分隨厚度分布進(jìn)行定量分析。

        1.3 組織分析

        采用SPECTROLAB LAVM12 依照GB/T 7999-2015 要求檢測(cè)板材不同厚度的化學(xué)成分。采用TEM對(duì)淬火態(tài)樣品的顯微組織進(jìn)行分析,主要觀察不同淬火冷卻速率下材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)、第二相的形貌、大小、分布。透射電鏡試樣經(jīng)機(jī)械減薄后雙噴穿孔,電解液為高氯酸酒精溶液,溫度為-25 ℃,電壓為75 V,電流為20~30 mA。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.1 7075厚板宏觀偏析

        圖2為60 mm厚7075厚板宏觀偏析情況??梢钥闯?,從厚度截面邊部至心部,Zn、Mg和Cu主元素含量逐漸降低,其中心部的合金成分最低。厚度表層和1/4 厚度處主合金元素Zn、Mg 和Cu 的含量有所降低,但降低幅度不明顯;而厚度中心處成分偏析最為嚴(yán)重,Zn 元素較邊部降低5.3%,Cu 元素較邊部降低12.5%,Mg元素較邊部降低7.4%。

        圖2 60 mm7075厚板不同位置處Zn、Mg、Cu元素的含量

        2.2 淬火冷卻速率對(duì)顯微組織的影響

        采用TEM 對(duì)厚板不同位置處在不同淬火冷卻速率下樣品的顯微組織進(jìn)行觀察。研究了宏觀偏析導(dǎo)致的不同合金成分樣品在不同淬火冷卻速率下的組織差異性,結(jié)果如圖3所示。圖中可以看到,不同樣品淬火態(tài)組織中均有不同程度的納米級(jí)第二相析出。結(jié)合EDS能譜分析和衍射斑點(diǎn)表明,淬火態(tài)組織中析出的主要為? 相,尺寸為50~100 nm,如圖3和圖4所示。不同淬火冷卻速率下不同樣品析出相的析出數(shù)密度如表2所示。對(duì)比圖3(a)、(b)及圖3(c)、(d)發(fā)現(xiàn),在厚板位置相同、冷速不同時(shí),冷速越快晶內(nèi)析出相尺寸越細(xì)小,析出數(shù)密度更低;同時(shí)還發(fā)現(xiàn),對(duì)于相同冷速不同厚板位置處樣品,其厚度心部位置晶內(nèi)析出相的數(shù)密度更低。這主要是由于在淬火冷卻速度較慢時(shí),7075 在冷卻過(guò)程中會(huì)有?相析出。加快淬火冷卻速度有利于抑制淬火冷卻過(guò)程中的第二相析出。由于厚板本身存在元素偏析,其厚度邊部主合金元素Zn、Mg 和Cu 的含量較高,因此在同一淬火冷卻速度下,厚板邊部樣品析出相的析出數(shù)密度要高于心部樣品。而心部位置由于主合金元素含量低,晶界析出相多呈現(xiàn)細(xì)小連續(xù)鏈狀分布,未呈現(xiàn)長(zhǎng)大和粗化特征。

        圖3 不同冷卻速率淬火態(tài)TEM組織

        表2 不同淬火冷卻速率下不同樣品的析出數(shù)密度

        圖4 晶內(nèi)析出相的TEM組織形貌及對(duì)應(yīng)EDS能譜分析結(jié)果

        2.3 淬火冷卻速率對(duì)陽(yáng)極氧化性能的影響

        對(duì)厚板表層和厚度心部的不同冷速處理后的樣品進(jìn)行陽(yáng)極氧化性能評(píng)價(jià)。不同淬火冷卻速度樣品的表面色度值如表3所示。從表中可以看到,固溶淬火態(tài)樣品陽(yáng)極氧化后整體亮度高于時(shí)效態(tài)。對(duì)于厚板同一位置處樣品,提高淬火冷卻速度,厚板陽(yáng)極氧化后表面亮度增加。淬火冷速較慢(10 ℃/s)時(shí),厚板邊部樣品固溶態(tài)陽(yáng)極氧化后亮度較低(L值77.14),時(shí)效處理后亮度進(jìn)一步降低,L 值僅為63.24。對(duì)于工業(yè)化厚板來(lái)說(shuō),在噴水淬火時(shí)由于傳熱效應(yīng)會(huì)帶來(lái)厚板心部和表面冷速差異,這直接導(dǎo)致陽(yáng)極氧化后不同位置處的樣品色差。從表3可以看出,厚板邊部樣品在淬火冷速分別為10 ℃/s和70 ℃/s 時(shí),其固溶態(tài)樣品亮度差△L=9.5,而時(shí)效后樣品的亮度差加大,達(dá)到△L=17.8。隨著淬火冷卻速度的增大,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的陽(yáng)極表面亮度均增加。對(duì)于厚板邊部樣品,當(dāng)淬火冷卻速度為10 ℃/s時(shí),時(shí)效處理對(duì)陽(yáng)極表面亮度影響較小,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=13.89;當(dāng)淬火冷卻速度增加至40 ℃/s 時(shí),固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=5.63;進(jìn)一步增加淬火冷卻速度至70 ℃/s,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=5.61。對(duì)于厚板心部樣品,當(dāng)淬火冷卻速度為10 ℃/s 時(shí),時(shí)效處理對(duì)陽(yáng)極表面亮度的影響較小,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=0;當(dāng)淬火冷卻速度增加至40 ℃/s時(shí),固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=6;進(jìn)一步增加淬火冷卻速度至70 ℃/s,固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)的亮度差△L=2.3。與表面樣品相比,時(shí)效處理對(duì)厚板心部樣品的亮度影響較小。這說(shuō)明厚板厚度中心的宏觀偏析導(dǎo)致Zn、Mg和Cu元素含量較低,從而引起該位置時(shí)效后析出相含量較低,有助于減小陽(yáng)極表面色差。分析結(jié)果表明,對(duì)于實(shí)驗(yàn)用的7075 厚板,其淬火冷卻速度的敏感區(qū)間為10~40 ℃/s。在該范圍內(nèi),淬火冷速對(duì)于色差的影響較大,而當(dāng)淬火冷卻速度達(dá)到70 ℃/s 時(shí),此時(shí)進(jìn)一步提高淬火冷卻速度對(duì)樣品色差的影響不明顯。

        表3 厚板不同位置處不同淬火冷卻速度下的固溶和時(shí)效態(tài)色度L值

        3 分析討論

        鋁合金陽(yáng)極氧化膜呈多孔狀,將鋁的氧化層劃分為多孔層與阻擋層兩層。整個(gè)氧化膜表面呈蜂窩狀,阻擋層相對(duì)多孔層較薄但致密度更高,起到了阻擋作用。對(duì)陽(yáng)極氧化后7075 厚板截面進(jìn)行了輝光放電光譜儀(GDOES)合金元素定量分析,結(jié)果如圖5所示。可以看到,陽(yáng)極氧化膜表面含O量較高,隨著厚度越深,膜的O含量下降,而Al、Zn和Mg 元素含量上升,至深度30 μm 處時(shí)接近鋁基體。氧化膜上半部分的Zn含量非常少,近表面、1/4位置和心部處Zn 含量一致;而氧化膜下半部分的Zn 元素呈梯度分布:近表面>1/4 位置>心部,這與厚板宏觀偏析的規(guī)律一致。從結(jié)果可以看出,在陽(yáng)極氧化膜內(nèi)部與鋁基材的過(guò)渡段,距離表面15~30 μm處,Zn元素含量富集。

        圖5 陽(yáng)極氧化7075截面不同區(qū)域的GDOES元素分布

        7×××系合金具有一定的淬火敏感性,在淬火冷卻過(guò)程中有大量的納米級(jí)?相析出于晶內(nèi)和晶界處。TEM組織觀察結(jié)果表明,淬火過(guò)程中晶內(nèi)析出的主要為? 相。文獻(xiàn)研究表明[11],MgZn2相在0.01 mol/L NaCl溶液中的腐蝕電位為-1 001 mVSCE,而鋁基體的腐蝕電位為-679 mVSCE。在陽(yáng)極氧化過(guò)程中,MgZn2相作為陽(yáng)極優(yōu)先溶解,釋放固溶態(tài)的Zn2+離子。氧化膜孔內(nèi)外存在電位差,會(huì)產(chǎn)生電滲液流,使得貼近孔壁帶正電荷的液層向孔外流動(dòng),而外部的新鮮溶液沿孔的中心軸流向孔內(nèi)。7075厚板近表面和1/4位置區(qū)域富含Zn元素。陽(yáng)極氧化過(guò)程中這些位置處的Zn2+處于過(guò)飽和狀態(tài),形成較多的ZnSO4和Zn(OH)2腐蝕產(chǎn)物,不能通過(guò)膜孔內(nèi)外電位差產(chǎn)生的電滲液流及時(shí)溶解排出,最終沉積在鋁界面處,致使宏觀表現(xiàn)為色度較黑。具體的陽(yáng)極氧化發(fā)黑機(jī)制如圖6所示。GDOES合金元素定量分析的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn),即在陽(yáng)極氧化膜與基體界面處存在Zn 元素富集區(qū)域。而7075 厚板心部區(qū)域由于宏觀偏析的原因Zn 元素含量較低,大部分Zn2+被Al置換回基體,腐蝕產(chǎn)物少,宏觀上表現(xiàn)的更為白亮。最終,厚板在陽(yáng)極氧化后呈現(xiàn)出心部亮、兩端黑的中心亮線缺陷。對(duì)于厚板同一位置處樣品,提高淬火冷卻速度有利于抑制淬火冷卻過(guò)程中?相析出,提高鋁基體的純凈度,從而可提高樣品陽(yáng)極氧化后的表面亮度。

        4 結(jié)論

        系統(tǒng)研究了淬火冷卻速率對(duì)7075 厚板陽(yáng)極氧化后截面異色的影響,研究結(jié)果表明:

        (1)影響7×××系厚板截面異色的主要原因是由于MgZn2相的析出不均勻性。淬火后有大量的納米級(jí)? 相于晶內(nèi)和晶界處析出,形成較多的ZnSO4和Zn(OH)2腐蝕產(chǎn)物不能及時(shí)溶解排出,沉積在鋁界面處,致使板材宏觀呈現(xiàn)厚度中心亮而兩端白的特征。

        (2)鑄造過(guò)程中帶來(lái)的主合金元素宏觀偏析(厚度截面邊部高,心部低)會(huì)影響厚板淬火和時(shí)效后邊部和心部的析出相含量出現(xiàn)差異,從而引起陽(yáng)極氧化后厚度截面邊部和心部的色差缺陷。

        (3)對(duì)于厚板同一位置處樣品,提高淬火冷卻速度有利于抑制淬火冷卻過(guò)程中?相析出,提高鋁基體的純凈度,從而提高樣品陽(yáng)極氧化后的表面亮度。

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