馮 旺，溫慶紅，黃啟波

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

Al-Mg系合金因具有中等強(qiáng)度、良好的耐蝕性和可焊性，在航空、航天、艦船、電子等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來的研究表明，Sc是目前為止所發(fā)現(xiàn)的對(duì)鋁合金最為有效的合金化元素，微量Sc加入到鋁合金中，可顯著提高合金的強(qiáng)度、塑性、焊接性能及耐蝕性能等，而復(fù)合添加Sc、Zr兩種微量元素是一條既節(jié)約成本又大幅提高強(qiáng)塑性的有效途徑[2-3]。Al-Mg-Sc合金是一種具備優(yōu)異綜合性能的新型結(jié)構(gòu)材料，屬于熱處理不可強(qiáng)化合金，其薄板一般在冷軋后退火狀態(tài)下使用。退火處理的目的，一是消除冷加工過程中形成的內(nèi)應(yīng)力，二是調(diào)整合金的強(qiáng)度和塑性，穩(wěn)定合金組織使之保持較好的耐蝕性能[4]。本文主要研究不同退火溫度對(duì)鋁鎂鈧合金板材力學(xué)性能、腐蝕性能的影響規(guī)律，為鋁鎂鈧合金板材的工業(yè)化應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 樣品來源和實(shí)驗(yàn)方法

以Al99.95、Al-Sc、Al-Zr、Al-4Ti塊、Al-Cr、Zn錠、鋁基Mn劑、Mg錠為原材料，鑄造成規(guī)格為400 mm×1 320 mm的方鑄錠，表1為所制備的鋁鎂鈧合金的化學(xué)成分。鑄錠經(jīng)350℃/20 h均勻化退火處理后銑面至380 mm，然后在450℃下保溫3 h后熱軋至8.0 mm，最后冷軋至規(guī)格為2.0 mm厚的薄板。冷軋板分別在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、500℃下進(jìn)行退火試驗(yàn)，保溫時(shí)間2 h。退火完成后，通過常溫拉伸力學(xué)性能、腐蝕性能測(cè)試及顯微組織分析來綜合評(píng)價(jià)不同退火溫度對(duì)合金顯微組織及性能的影響。

表1 鋁鎂鈧合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

同時(shí)取板材的縱向和橫向樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。所用設(shè)備為AG-IS10KN電子拉力試驗(yàn)機(jī)。剝落腐蝕試驗(yàn)依據(jù)ASTMG66進(jìn)行；晶間腐蝕試驗(yàn)依據(jù)ASTMG67進(jìn)行。金相試樣受檢面為板材的縱向截面，經(jīng)機(jī)械拋光、凱勒試劑浸蝕后觀察顯微組織，經(jīng)陽極覆膜后在偏振光下觀察顯微晶粒組織。金相組織觀察在LEICA DM4M金相顯微鏡上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同退火溫度對(duì)冷軋板力學(xué)性能的影響

圖1為Al-Mg-Sc合金2.0 mm厚冷軋板經(jīng)不同退火溫度處理后縱向、橫向力學(xué)性能變化曲線。圖1表明：添加微量的Sc、Zr元素后冷軋板的縱向、橫向強(qiáng)度分別達(dá)到471 MPa和490 MPa，合金的強(qiáng)度隨退火溫度的升高而緩慢下降，但強(qiáng)度仍始終保持在較高的水平，即使在300℃/2 h退火后縱向、橫向強(qiáng)度也分別達(dá)到412 MPa和424 MPa；溫度超過350℃后強(qiáng)度下降趨勢(shì)較明顯；合金的塑性則隨退火溫度的升高而提高。

圖1 不同退火溫度下合金的力學(xué)性能

2.2 不同退火溫度對(duì)冷軋板腐蝕性能的影響

表2為Al-Mg-Sc合金2.0 mm厚冷軋板經(jīng)不同退火溫度處理后剝落腐蝕、晶間腐蝕重量法檢測(cè)結(jié)果，圖2為剝落腐蝕性能檢測(cè)后樣品的宏觀形貌圖?？梢钥闯?，經(jīng)100～250℃/2 h退火后樣品表面存在明顯的起泡現(xiàn)象，剝落腐蝕程度較嚴(yán)重，300℃及以上2 h退火樣品只存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象；隨著退火溫度的升高，剝落腐蝕級(jí)別由EB、EA向PB、PA轉(zhuǎn)變；200℃/2 h、250℃/2 h退火樣品晶間腐蝕重量損失量較大，100～150℃/2 h、300℃以上2 h退火樣品晶間腐蝕重量損失量較小。綜上可知，合金經(jīng)300℃及以上2 h退火后抗剝落腐蝕、晶間腐蝕性能均較好。

表2 剝落腐蝕、晶間腐蝕檢測(cè)結(jié)果

圖2不同退火溫度下合金板材的剝落腐蝕宏觀形貌圖

2.3 不同退火溫度對(duì)冷軋板顯微組織的影響

圖3 為不同退火溫度下合金板材陽極覆膜后的典型顯微晶粒組織，圖4為不同退火溫度下合金板材凱勒試劑浸蝕后的典型顯微組織。從圖3可以看出：500℃/2 h退火后板材組織中已存在較多再結(jié)晶晶粒，其余退火溫度下則仍以纖維組織為主。從圖4可以看出：經(jīng)（200~250）℃/2 h退火后板材顯微組織中晶界明顯，晶界上的析出質(zhì)點(diǎn)分布較連續(xù)；經(jīng)100℃/2 h、300℃/2 h及以上溫度退火后板材顯微組織中晶界不明顯，晶界上的析出質(zhì)點(diǎn)數(shù)量較少且呈斷續(xù)分布。

圖3 不同退火溫度下合金板材的典型顯微晶粒組織

圖4 不同退火溫度下合金板材的典型顯微組織

3 分析討論

Al-Mg合金中復(fù)合添加Sc、Zr微量元素能顯著提高合金的強(qiáng)度，合金強(qiáng)度的提高主要來源于三個(gè)方面：一是初生的Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)顯著細(xì)化鑄態(tài)晶粒組織產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化；二是均勻化過程中析出次生Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化；三是Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)抑制后續(xù)加工熱處理過程中的再結(jié)晶引起的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等。

Al-Mg-Sc合金板材經(jīng)過冷軋變形后，會(huì)形成大量相互纏結(jié)的位錯(cuò)以及與基體共格的第二相質(zhì)點(diǎn)Al3（Sc，Zr）。Al3（Sc，Zr）與位錯(cuò)強(qiáng)烈的交互作用使合金板材獲得了極大的加工硬化，因此冷軋板強(qiáng)度高而塑性低[5]。冷軋板在退火過程中，由于熱激活的作用，位錯(cuò)會(huì)發(fā)生遷移，隨退火溫度的升高，合金依次發(fā)生回復(fù)、部分再結(jié)晶和再結(jié)晶；回復(fù)使基體中的內(nèi)應(yīng)力降低，有益于合金的塑性，但合金的強(qiáng)度仍保持在較高的水平，因?yàn)锳l3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)與基體共格，能夠強(qiáng)烈釘扎合金中的位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)滑移所需的切應(yīng)力大大提高，同時(shí)阻止了亞晶界的遷移與合并，對(duì)變形組織中的亞結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定化作用，抑制合金在退火過程中的再結(jié)晶[6]；進(jìn)一步提高退火溫度，一方面基體會(huì)開始發(fā)生再結(jié)晶，另一方面Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)會(huì)粗化，導(dǎo)致Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)與基體的共格關(guān)系逐漸消失，Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減弱，合金的強(qiáng)度下降趨勢(shì)更加明顯而塑性增加[7]。

晶間腐蝕是沿金屬晶界發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象，在腐蝕介質(zhì)中晶界上的β相優(yōu)先被腐蝕。對(duì)于鋁鎂鈧合金，在200℃以下退火時(shí)，Mg原子沿著位錯(cuò)向晶界擴(kuò)散，晶界上β相析出數(shù)量較少，抗晶間腐蝕性能較好；在200℃、250℃退火時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致發(fā)生回復(fù)，在晶界上迅速形成極薄的連續(xù)β相網(wǎng)膜，相當(dāng)于形成了沿晶腐蝕通道，此時(shí)晶間腐蝕較嚴(yán)重；于250℃以上退火時(shí)，隨著退火溫度的升高，位錯(cuò)在極短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到晶界上，β相就會(huì)優(yōu)先在亞晶界與晶界的交切點(diǎn)上沉淀，隨后Mg原子不斷沿著亞晶界向晶界傳輸，結(jié)果使β相變成粗大的顆粒分布在晶界上，腐蝕速率顯著下降，合金的抗晶間腐蝕性能得到明顯改善[3]。所以隨著退火溫度的升高，晶間腐蝕重量損失量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

剝落腐蝕是從平行于金屬表面沿著晶界橫向擴(kuò)展的，在裂紋的空隙中存在一些腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物是成層的，它們的體積比發(fā)生腐蝕的金屬大的多，且易發(fā)生膨脹從而導(dǎo)致表層金屬剝落。在鋁鎂鈧合金中，冷軋態(tài)板材基體中存在大量的位錯(cuò)，軋制應(yīng)力沒有消除，晶粒結(jié)構(gòu)呈纖維狀，合金容易發(fā)生剝落腐蝕；在300℃以下退火時(shí)，合金發(fā)生明顯回復(fù)，晶粒組織仍為細(xì)纖維狀，抗剝落腐蝕性能較差；在300℃及以上退火時(shí)，合金的強(qiáng)度已明顯下降，表明材料已開始出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象；500℃退火后材料已出現(xiàn)較多再結(jié)晶晶粒，合金的抗剝落腐蝕性能得到明顯改善。影響鋁鎂鈧合金剝落腐蝕性能的主要因素為材料的晶粒結(jié)構(gòu)，所以隨著退火溫度的升高，抗剝落腐蝕性能呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

綜上所述，Al-Mg-Sc合金因Al3（Sc，Zr）質(zhì)點(diǎn)與位錯(cuò)的交互作用，在較高的溫度下進(jìn)行退火處理后仍可獲得優(yōu)良的強(qiáng)塑性及耐腐蝕性能。

4 結(jié)論

（1）隨著退火溫度的升高，鋁鎂鈧合金冷軋板的強(qiáng)度緩慢下降，塑性增加。

（2）隨退火溫度的升高，β相在晶界離散析出，鋁鎂鈧合金冷軋板的剝落腐蝕級(jí)別由EB、EA向PB、PA轉(zhuǎn)變，晶間腐蝕重量損失量也明顯減小。

（3）添加微量的Sc、Zr元素能顯著改善Al-Mg合金的力學(xué)性能，合金退火過程中的再結(jié)晶行為受到強(qiáng)烈阻礙，再結(jié)晶起始溫度大幅度提高。

（4）綜合考慮合金的強(qiáng)塑性、耐腐蝕性能，合金的最佳退火制度為300℃/2 h。合金經(jīng)300℃/2 h退火后能獲得最佳綜合性能，縱向力學(xué)性能σb=412 MPa、σ0.2=328 MPa、δ=14.0%，橫向力學(xué)性能σb=424 MPa、σ0.2=333 MPa、δ=21.0%，剝落腐蝕級(jí)別PB，晶間腐蝕重量損失量3 mg/cm2。