吳鳳民 王江濤 張永康 鄭和輝

關(guān)鍵詞：固溶溫度;海工鉆桿;鋁合金;析出相;腐蝕

0引言

7000系鋁合金屬A1-Zn-Cu-Mg系列，可進行熱處理強化，具有質(zhì)量輕、強度高、可加工性能好等諸多優(yōu)良特性，在航空航天、海洋工程裝備中作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用。7000系鋁合金中由于Mg、zn元素含量較高，在可溶結(jié)晶相未固溶的情況下，會嚴重影響合金的使用性能，尤其是在海洋環(huán)境中極易發(fā)生由于腐蝕而引起材料的結(jié)構(gòu)破壞，造成重大的安全事故，威脅其服役安全。

關(guān)于鋁合金在海洋環(huán)境下的腐蝕行為已成為當(dāng)前研究的熱點。何明濤等研究了6005A鋁合金表面損傷對其耐海水腐蝕性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面損傷會導(dǎo)致表面氧化膜被破壞，表面缺陷越多，合金的耐腐蝕性能越低。Zuo等研究了低溫機械熱處理（LTMT）對7055鋁合金腐蝕性能的影響，并通過極化曲線測試表明LTMT工藝能有效提高合金的抗剝落腐蝕性能。張琦等采用多電極體系研究了LC4鋁合金的晶間腐蝕機理，結(jié)果表明在腐蝕介質(zhì)中各化合物形成的腐蝕微電池會形成陽極溶解通道，加速合金的腐蝕。Val6rie Guillaumin等研究發(fā)現(xiàn)6056-T6鋁合金在NaCl溶液中發(fā)生了點蝕和晶間腐蝕，點蝕是在粗大的A1-Mg-Si相周圍萌生，晶間腐蝕主要沿著晶界的Si和cu貧化區(qū)發(fā)生。熱處理能有效固溶合金中的可溶結(jié)晶相，提高合金的使用性能，但當(dāng)前關(guān)于固溶處理對鋁合金的耐海水腐蝕性能并無深入的研究，因此，開展固溶處理對7000系鋁合金材料的耐海水腐蝕規(guī)律及電化學(xué)行為研究對于海洋工程裝備的服役安全具有重要的指導(dǎo)意義和重大的工程價值。

7075鋁合金作為高強度鋁合金，是制作高可靠性海工鉆桿的重要材脊斗，并已被廣泛應(yīng)用。本文選取7075鋁合金為研究對象，研究固溶強化處理對其在海水環(huán)境下耐腐蝕性能的影響，探索其腐蝕影響規(guī)律，以期為海工鉆桿結(jié)構(gòu)件的驗收和安全性提供理論依據(jù)。

1服役中鋁合金鉆桿腐蝕分析

一般來講，由于服役和作業(yè)環(huán)境的不同，結(jié)構(gòu)件受腐蝕的情況也不同。通常可分為若干個腐蝕區(qū)，即海洋大氣區(qū)、海洋飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)。鋁合金鉆桿一般都服役在深海區(qū)，因而經(jīng)常受到周圍海水的浸泡，海水是一種成分很復(fù)雜的天然電解質(zhì)溶液，還有大量的鹽分，這些鹽分會導(dǎo)致其發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最終發(fā)生破壞和斷裂。因此，對鋁合金鉆桿進行合適的處理，提高其抗電化學(xué)性能，延長其服役壽命顯得非常重要。

2改善鋁合金鉆桿抗腐蝕工藝實驗

2.1試樣制備和熱處理工藝

在眾多的處理工藝中，熱處理是常用的整體處理工藝之一。本研究采用商用7075鋁合金材料進行研究，其化學(xué)成分如表1所示。通過線切割將板料加工為10mmx10mmx3 mm的方塊，將制備的試樣經(jīng)丙酮除油清洗后干燥，在KBF1400箱式爐進行固溶時效處理（T6熱處理），根據(jù)固溶溫度的不同，將試驗分為4組，熱處理工藝方案如表2所示。

2.2電化學(xué)腐蝕實驗

將不同熱處理得到的試樣經(jīng)200#～1500#水磨砂紙打磨，然后采用丙酮清洗、吹干后，在其背面通過點焊引出銅導(dǎo)線，除測試表面外，其余表面均采用硅橡膠密封制成電化學(xué)腐蝕試樣，之后所有試樣均采用萬用表進行導(dǎo)電性能測試。腐蝕電化學(xué)測試通過CHl660E電化學(xué)工作站進行，采用三電極體系測量。7075鋁合金腐蝕試樣為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑片電極為輔助電極，腐蝕溶液選擇的是自然條件下的質(zhì)量分數(shù)3.5%NaCl模擬海水溶液。首先對不同固溶溫度下試樣的開路電位進行測量，待體系穩(wěn)定后進行交流阻抗測量，頻率區(qū)間為10～105Hz，最后對試樣的極化曲線進行測量，掃描速率為10mWs。

3鋁合金鉆桿抗腐蝕試驗結(jié)果分析

3.1不同固溶溫度下7075鋁合金的顯微組織

圖1所示為不同固溶溫度下7075鋁合金的顯微組織。從圖中可以看出，經(jīng)過固溶處理后，合金組織發(fā)生再結(jié)晶，隨著固溶溫度的升高，長條形的變形組織逐漸由向等軸晶轉(zhuǎn)變，晶界逐漸明顯，固溶溫度為550℃時，晶界明顯，晶粒形貌規(guī)則，大小均勻，如圖1（c）所示。但隨著固溶溫度繼續(xù)升高至570℃時，晶界部分發(fā)生融合，晶粒變得粗大，且在晶界處出現(xiàn)了過燒現(xiàn)象，如圖1（d）所示。

經(jīng)T6處理后，合金內(nèi)部會出現(xiàn)由GP區(qū)和非平衡相m組成的基體沉淀相，隨著固溶溫度的升高，基體沉淀相逐漸回溶。在圖1（a）～（c）中的晶界處并沒有觀察到粗大相，即在本研究中晶界粗大相不會對合金的耐蝕性產(chǎn)生影響。

3.2極化曲線測試

圖2所示為不同固溶溫度的7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線，對曲線進行分析計算得到的電化學(xué)參數(shù)如表3所示。從圖2中可以看出，隨著固溶溫度的升高，曲線向右上方移動。從表3可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著固溶溫度的升高，合金的自腐蝕電位不斷升高，腐蝕電流密度逐漸減小。合金的腐蝕電位反映了其腐蝕傾向性，腐蝕電位越正，腐蝕傾向越小;腐蝕電流密度反映了合金的腐蝕速率，腐蝕電流密度越小，合金的耐腐蝕性能越強。當(dāng)固溶溫度為550℃時，合金的自腐蝕電位最高，為-1.026 v（vs.SCE），腐蝕電流密度最小，為5.317x104A·cm，此時合金的耐腐蝕性能最佳;但隨著固溶溫度繼續(xù)升高至570℃時，合金的自腐蝕電位發(fā)生降低，腐蝕電流密度增大，耐腐蝕性能下降。

合金的腐蝕電位主要取決于合金的成分，固溶溫度越高，固溶到基體中的合金元素含量越大，相應(yīng)的腐蝕電位升高。時效處理后，合金析出的相增多，相相對于基體是陽極相，在腐蝕過程中相與基體形成腐蝕電偶。在相同的時效溫度下，高固溶溫度下的合金元素的過飽和度較大，因而析出相的彌散程度越高，相應(yīng)的析出相與基體的腐蝕電偶效應(yīng)減小，腐蝕電流降低。因此，耐蝕性隨著固溶溫度的升高而增強。

3.3交流阻抗測試

圖3所示為不同固溶溫度的7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖。從圖中可以看出，經(jīng)過510℃和570℃固溶溫度的合金阻抗譜圖是由2個容抗弧組成，而530℃和550℃固溶溫度的試樣阻抗譜圖只存在單個容抗弧。隨著固溶溫度的升高，容抗弧半徑逐漸增大，當(dāng)固溶溫度為550℃時，試樣的容抗弧半徑最大，繼續(xù)升高固溶溫度至570℃時，試樣的容抗弧半徑減小。這是因為在熱處理過程中，當(dāng)固溶溫度較低時，合金元素的過飽和度較小，形成的析出相較粗大，由于析出相和基體表面的鈍化膜性質(zhì)不同，故在兩者的過渡區(qū)膜的穩(wěn)定性較差，在腐蝕過程中，極易被CF滲透，致使其耐蝕性降低;隨著固溶溫度的升高，合金素的過飽和度增大，形成的析出相細小彌散，析出相對鈍化膜的影響較小，因此在保持合金力學(xué)性能的同時耐蝕性得到了增強。

根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，將阻抗譜圖進行擬合，得到的等效電路模型如圖4所示。其中模型（a）用于擬合固溶溫度為510℃和570℃條件下的阻抗圖譜，模型（b）用于擬合固溶溫度為530℃和550℃條件下的阻抗圖譜。R為溶液電阻，C1和R1分別為外電層電容和電阻，C2和R1分別為反應(yīng)界面雙電層電容和轉(zhuǎn)移電阻。各擬合元件值見表4。R的變化可以反映腐蝕速率的變化趨勢，即利用R變化可以反應(yīng)不同固溶溫度處理后7075合金的耐蝕性。通過表4的值可以看出，510℃固溶處理后試樣的R值最小，550℃固溶處理后試樣的R值最大，耐腐蝕性能最佳，這也與阻抗譜圖中的容抗弧變化結(jié)果一致。

4結(jié)束語

本文選取7075鋁合金為研究對象，經(jīng)過固溶處理后，鋁合金鉆桿的組織發(fā)生再結(jié)晶，隨著固溶溫度的升高，長條形的變形組織逐漸由向等軸晶轉(zhuǎn)變，當(dāng)570℃時，晶界部分發(fā)生融合，晶粒變得粗大，且在晶界處出現(xiàn)了過燒現(xiàn)象。

電化學(xué)測試表明：在一定范圍內(nèi)，隨著固溶溫度的升高，鋁合金鉆桿的自腐蝕電位不斷增大，腐蝕電流密度逐漸減小，容抗弧半徑逐漸增大。當(dāng)固溶溫度在550℃時，鋁合金鉆桿在保持合金力學(xué)性能的同時，其抗電化學(xué)腐蝕性能達到最強。