李廣欽,王繼成,翟德斌

(核興航材(天津)科技股份有限公司,天津 300300)

2024鋁合金屬于高強度的2xxx系鋁銅合金,廣泛應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)(蒙皮、骨架、隔框等)、鉚釘、導(dǎo)彈構(gòu)件、螺旋槳元件及其他各種結(jié)構(gòu)件。合金的特點是強度高,其耐熱和加工性能良好,但是耐蝕性不如其他合金,在一定條件下會產(chǎn)生晶間腐蝕[1],而且腐蝕萌生位置往往是裂紋擴展的源頭。鋁合金腐蝕不僅會帶來經(jīng)濟損失,而且疲勞強度、斷裂韌性、常規(guī)強度及抗蝕性能并列為鋁合金的四項主要指標(biāo),只有在這幾方面都滿足設(shè)計和使用要求時,才稱得上具備了良好的綜合性能[2,3]。許多研究人員對鋁合金的腐蝕問題進行了深入研究,研究重點集中在2xxx系和7xxx系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕上。

在2024鋁合金型材生產(chǎn)過程中,因淬火后制品晶間腐蝕最大深度超出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,造成了較高的廢品率,提高生產(chǎn)成本的同時,對供貨及時性也造成了一定影響。通過研究分析淬火工藝參數(shù)對2024鋁合金擠壓型材晶間腐蝕性能的影響,確定合適的淬火處理工藝制度,在保證制品室溫力學(xué)性能的同時,使得晶間腐蝕性能滿足技術(shù)要求。

1 試驗材料與方法

本試驗所用的材料是經(jīng)擠壓工藝加工成的型材,型材的厚度3.2mm;合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.06,Fe 0.28,Cu 4.14,Mn 0.49,Mg 1.50,Ni 0.01,Zn 0.06,Ti 0.01。依據(jù)文獻中的研究結(jié)果,為保證室溫力學(xué)性能(淬火轉(zhuǎn)移時間小于15s,淬火溫度不能低于493℃,保溫時間要大于20min[1,3]),試驗方案見表1,其中淬火升溫時間都為20min,采用自然時效。

表1 試驗方案

室溫力學(xué)性能在島津AGS-X100KN萬能材料試驗機上進行測試;用OLYMPUS BX51光學(xué)金相顯微鏡觀察分析金相;采用GB/T7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測定方法》中的方法進行試樣晶間腐蝕試驗。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 室溫力學(xué)性能

試樣的室溫力學(xué)性能如圖1所示?？梢钥闯?在494℃時,隨著保溫時間的延長,抗拉強度逐漸提高;在500℃時,隨著保溫時間的延長,抗拉強度先升高,后略有下降。在同一溫度和保溫時間內(nèi),隨著轉(zhuǎn)移時間的延長,所有方案試樣的抗拉強度均有所下降;在保溫時間分別為20min和30min時,隨著淬火溫度的升高抗拉強度有所提高;在保溫時間為40min時,隨著淬火溫度的升高抗拉強度有所降低。屈服強度和斷后伸長率的變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。所有方案試樣室溫力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。

(a)494℃ (b)500℃

2.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕的最大深度分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 晶間腐蝕最大深度

可以看出,在494℃時,隨著保溫時間的延長,晶間腐蝕最大深度明顯下降;在500℃,隨著保溫時間的延長,晶間腐蝕最大深度先下降而后略微上升。在相同保溫時間下隨淬火溫度的升高,晶間腐蝕最大深度整體呈下降趨勢,但保溫40min時隨溫度升高晶間腐蝕最大深度有所上升。在相同溫度和保溫時間下,隨著轉(zhuǎn)移時間的延長,晶間腐蝕最大深度有明顯的增加。

晶間腐蝕的形貌如圖3所示,圖中,(a)～(l)對應(yīng)1～12號方案試樣。圖(d)(h)形貌中,晶間腐蝕深度最大值明顯增加,是因為試樣局部出現(xiàn)較深腐蝕點所致。這些腐蝕點是由鋁合金表面粗大第二相顆粒(可能是Al12(FeMn)3Si或者AlCuFeMnSi)與基體構(gòu)成腐蝕原電池引起的腐蝕[4]。從形貌圖(e)(g)(i)(k)(l)可以看出,試樣腐蝕最大深度處形貌呈現(xiàn)出點腐蝕的狀態(tài),還沒有發(fā)展成為連續(xù)的晶間腐蝕,說明此狀態(tài)下的試樣抗晶間腐蝕性能良好,這也與所測得的相應(yīng)晶間腐蝕最大深度數(shù)值較小相一致。對于高含銅(含銅量質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%左右)的合金,由于含銅結(jié)晶相的數(shù)量相應(yīng)增多、尺寸增大,容易發(fā)生點腐蝕[5]。隨著抗腐蝕能力的進一步降低,會形成較為連續(xù)的晶間腐蝕,如圖(a)(c)(d)(h)(j)所示;晶間腐蝕比點腐蝕擴展的速度快,會向整個表面擴展,最終發(fā)展成剝落腐蝕,如圖(b)(f)所示。

圖3 晶間腐蝕形貌

2.3 討論

晶間腐蝕是合金中晶界處不同的組織和結(jié)構(gòu)存在電極電位差,當(dāng)存在腐蝕介質(zhì)時,構(gòu)成三極微電池,陽極溶解,造成沿晶的選擇性腐蝕。對于既定的合金,晶間腐蝕傾向主要取決于顯微組織類型,特別是第二相的性質(zhì)、尺寸和分布[2]。淬火處理是將第二相粒子溶解到鋁基體內(nèi),獲得過飽和固溶體,通過影響合金的過飽和程度來影響時效析出驅(qū)動力及析出相數(shù)量、大小和分布,進而影響合金的性能[6]。對于2024合金,隨著淬火溫度的提高和保溫時間的延長,晶界處的第二相CuAl2和S相逐漸固溶,提高了固溶體的過飽和度,淬火后自然時效時能夠更有效地析出彌散的強化相,提升合金的強度。隨著晶界處的CuAl2和S相不斷固溶,晶界處第二相數(shù)目減少、間距增大、尺寸減小,同時晶界臨近區(qū)域形成溶質(zhì)元素的貧化帶區(qū)域(PFZ)也減小,降低了晶界沉淀相、溶質(zhì)貧化帶及晶粒本體電極電位差,從而提高了合金的抗晶間腐蝕性能;過飽和度的提升,使得時效時晶內(nèi)析出相更為細小、均勻,也會降低腐蝕的速率[6]。但是在高溫和長時間保溫時,變形晶粒再結(jié)晶并且逐漸長大(圖4),晶粒界面減小,使得晶界處第二相密度增加,甚至成連續(xù)分布,會降低合金的強度和抗晶間腐蝕性能。當(dāng)晶粒長大對合金強度和晶間腐蝕性能的影響程度超過了第二相固溶的影響程度時,合金的強度和抗晶間腐蝕性能就會下降,如上所述,500℃保溫40min時的強度和晶間腐蝕性能都有所下降。減少淬火轉(zhuǎn)移時間可以降低晶粒長大對合金晶間腐蝕性能的不良影響。

(a)結(jié)晶的晶粒;(b)已經(jīng)長大的晶粒

隨著淬火轉(zhuǎn)移時間的延長,會降低制品的冷卻速度。在淬火轉(zhuǎn)移時間內(nèi),CuAl2和S相會從過飽和的固溶體中沿著晶界大量析出,使第二相的尺寸增加,分布間距減小,甚至呈連續(xù)分布的狀態(tài)。同時PFZ區(qū)域增加,晶界處不同組織和結(jié)構(gòu)的差異增大,即電極電位差增大,從而降低合金晶間腐蝕性能;同時也會降低固溶體的過飽和度,時效時析出的驅(qū)動力就會減弱,導(dǎo)致析出相的數(shù)量減少、尺寸增大。當(dāng)晶界陽極性析出相連續(xù)分布或間距過小時,陽極相一旦發(fā)生腐蝕,其相鄰的陽極相就會暴露于腐蝕介質(zhì)中,形成連續(xù)的腐蝕通道,使合金容易產(chǎn)生晶間腐蝕,進一步導(dǎo)致全面腐蝕[6]。而短的淬火轉(zhuǎn)移時間,阻止了第二相在晶間的局部脫溶[3],能夠明顯地改善合金晶界處的組織和結(jié)構(gòu),以及固溶體的過飽和度和時效時析出相的數(shù)量、尺寸和分布,從而提升晶間腐蝕性能。

固溶體的固溶度是合金強度和抗晶間腐蝕性能的最終影響因素,淬火溫度、保溫時間、淬火轉(zhuǎn)移時間的變化都對固溶度產(chǎn)生了影響。在低溫淬火時,保溫時間對合金晶間腐蝕性能的影響更為明顯;隨著保溫時間的延長,溫度對晶間腐蝕性能的影響會逐漸減弱;淬火轉(zhuǎn)移時間對合金晶間腐蝕的影響更為顯著,隨著固溶度的提高,其影響會逐漸減弱。

2024合金在490℃淬火時,部分相開始固溶,在502℃淬火時,中間相有非常明顯的固溶,但是該合金有強烈的過燒敏感性,過燒溫度在505℃[7],所以生產(chǎn)時確定淬火溫度為500℃,保溫時間為30min。根據(jù)技術(shù)要求晶間腐蝕最大深度小于125μm的要求,為了保證晶間腐蝕性能能夠滿足要求,淬火轉(zhuǎn)移時間最好控制在5s以內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)淬火溫度、保溫時間、淬火轉(zhuǎn)移時間都會對2024擠壓型材的強度和晶間腐蝕性能產(chǎn)生影響,淬火轉(zhuǎn)移時間的影響更顯著。

(2)采用500℃保溫30min淬火,淬火轉(zhuǎn)移時間控制在5s內(nèi),能夠使第二相CuAl2和S相充分固溶,形成更大過飽和度的固溶體,同時晶粒未發(fā)生明顯長大,在保證力學(xué)性能滿足技術(shù)要求的同時,使晶間腐蝕最大深度不大于100μm,滿足技術(shù)要求。