Al-Cu-Mg系高强铝合金的晶间腐蚀

牟 春

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

Al-Cu-Mg系高强铝合金的晶间腐蚀

牟 春

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

简述了Al-Cu-Mg系高强铝合金晶间腐蚀的原理及其影响因素，从合金成分、加工工艺、热处理三个方面分析了控制晶间腐蚀的方法。

Al-Cu-Mg合金；晶间腐蚀；成分；热处理

1 晶间腐蚀原理

晶界是金属晶粒间的错接区，是高能区，有更强的化学活性，因而在大多数情况下比晶粒本身腐蚀得快，形成晶间腐蚀。晶间腐蚀就是沿着晶粒边界发生的选择性腐蚀[1]。

Al-Cu-Mg系高强铝合金有晶间腐蚀倾向，晶间腐蚀是其腐蚀的主要类型，微电池电化学腐蚀是大家普遍认可的晶间腐蚀发生的方式。

Al-Cu-Mg合金在淬火自然时效状态下，理论上仅出现GP区，属于均匀形核，具有普遍脱溶的性质，应该发生以点蚀为主的全面腐蚀。但在实际生产中，合金产品中始终存在大角度晶界、夹杂相的界面、亚晶界以及位错等，这些结构有利于过渡相及平衡脱溶相的非均匀形核。所以实际情况是，合金淬火后优先在晶间发生局部脱溶，局部脱溶会产生无沉淀带(无脱溶相区)。无沉淀带(无脱溶相区)与基体之间存在电位差，形成微电池腐蚀。无沉淀带(无脱溶相区)的电位较低，为电池的阳极，优先被腐蚀，腐蚀沿着晶间扩展，形成晶间腐蚀。热处理不当时，合金在晶界上有CuAl2、AlXCuXMg等相沉淀，这些相与晶界或基体之间存在电位差，也会形成微电池腐蚀，引起更严重的晶界腐蚀。

2 晶间腐蚀的影响因素及控制方法

晶间腐蚀可通过控制引起晶间腐蚀的合金元素的含量、加工工艺以及热处理规范的合理搭配与选择来有效地控制晶间腐蚀的程度或降低晶间腐蚀敏感性。

2.1 合金元素与腐蚀性能的关系

一般来说，合金元素含量增高，耐蚀性降低。合金中Fe、Si杂质越低，耐蚀性越好。

Cu含量为3%～5%的Al-Cu二元合金，在淬火自然时效状态下耐蚀性能很低。加入0.5%的Mg，降低了α固溶体的电位，可部分改善合金的耐蚀性。Mg含量大于1%时，合金的局部腐蚀增加，腐蚀后伸长率急剧降低[2]。

Al-Cu-Mg系合金中，Cu、Mg是主要合金元素，合金主要强化相为S相和θ相，以S相的过渡相强化效果最好，θ相的过渡相强化效果稍次。合金中同时存在S相和θ相的过渡相时，强化效果最大。一般情况下，合金中Cu∶Mg≤2.6时，形成S相，Cu∶Mg＞2.6时，形成S+θ相或θ相。含3%～4%Cu和0.5%～1.3%Mg的合金，其淬火自然时效效果最大[1]。

Cu含量大于4%、Mg含量大于1%的合金，Mg降低了Cu在铝中的溶解度，合金在淬火状态下，有不溶解的θ和S相，这些相的存在加速了腐蚀。Cu含量为3%-5%和Mg含量为1%～4%的合金，它们位于同一相区，在淬火自然时效状态的耐蚀性相差不多。α-S相区的合金比α-θ-S区域合金的耐蚀性能差[2]。

Mn也是该系合金的主要元素，它的主要作用是消除Fe的有害影响和提高耐蚀性，Mn的添加量一般低于1%。Mn含量增加，可能改善应力腐蚀性能，但形成粗大化合物的倾向加大，继而可能恶化疲劳性能、断裂韧度、高低温力学性能等[2]。

2.2 加工工艺对腐蚀性能的影响

刘晓艳研究了Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag合金不同冷轧变形后人工峰值时效板材的腐蚀性能[3]。结果显示，随着冷轧变形量增大，合金抗晶间腐蚀能力提高。一方面，随冷轧变形量增大，合金PFZ宽度逐渐减小。变形量越大，合金的再结晶晶粒越小，晶粒越多，淬火后分布到每一个晶界的空位数量越少，晶界析出相依靠空位扩散进行形核与长大的优势与晶内析出相相比降低。因此，随着冷轧变形量增大，晶界析出相逐渐减少，消耗晶界附近的溶质原子减少，PFZ变窄，腐蚀通道变窄，合金的电化学腐蚀性能逐渐提高。

另一方面，晶粒形貌对合金的电化学腐蚀性能也有一定影响。随着冷轧变形量增大，再结晶晶粒逐渐减小。变形量越大，冷轧态合金晶粒变形程度越严重，变形储能越大，在随后的固溶处理过程中，合金的再结晶驱动力越大，再结晶程度越大。变形量越大，冷轧态合金晶粒纵横比越大，固溶处理后，依附亚晶界形核的再结晶晶粒越小，合金内形成的微电池越多，从而降低合金的抗电化学腐蚀性能。

2.3 热处理工艺对腐蚀性能的影响

强亚宏对LY12合金在不同热处理状态下的晶间腐蚀进行了研究，提出新相的析出及新相析出时所引起的贫乏区，以及杂质在晶界处的富集，或者晶格的不连续等因素，都会造成晶间腐蚀倾向不同。结果表明：在自然时效、过时效等状态下，LY12合金的晶间腐蚀倾向小；在空冷淬火、欠时效、人工峰值时效等热处理状态下，LY12合金的晶间腐蚀倾向比较严重[4]。

淬火冷却速度对硬铝合金的晶间腐蚀倾向有很大影响。在空气中冷却淬火时，由于冷却缓慢，固溶的Cu元素等以粗大质点形式沉淀出来，降低了固溶体的过饱和水平，减小了合金的时效硬化效果。同时晶粒边界区内发生显著变化，固溶元素Cu有足够时间在晶界上发生偏析，这些都会加大合金的晶间腐蚀倾向。

淬火+自然时效状态，此时合金元素固溶于铝中或仅出现GP区，尚无第二相析出，腐蚀情况表现为全面腐蚀，合金就没有连续网状金属间化合物形成，无贫Cu区，基本不存在晶间腐蚀。

淬火+峰值人工时效处理，Cu大多生成第二相CuAl2，以连续网状在晶界大量析出，使晶界附近含Cu量大大降低而成为贫Cu区，贫Cu区与基体存在电位差，发生晶间腐蚀。

淬火+过时效状态下，时效温度升高，时间延长，可以将晶粒边界上微电池的连续分布破坏，有效地消除贫Cu区，晶间腐蚀减轻，甚至优于自然时效。

淬火+欠时效状态下，由于时效时间不足，合金组织结构来不及全部改变，使其晶间腐蚀比过时效要大，但比峰值人工时效要小。

尹作升研究了2024合金在退火态、T4态、150℃×9h、150℃×16h、190℃×9h、190℃×16h、230℃×9h、230℃×16h时效的晶间腐蚀性能。结果显示，合金T4态晶间腐蚀敏感性最低，150×16h时效后合金晶间腐蚀最严重[5]。

王祝堂在《铝合金及其加工手册》(第二版)中说，2A12T4材料190℃×12h时效后，再在125℃～170℃长时间稳定化处理，或在200℃以上稳定化处理，可消除晶间腐蚀[6]。

同时还认为，人工时效前进行预变形，可改善LY12（2024）合金的抗蚀性[6]。

3 结论

（1）Al-Cu-Mg系高强铝合金存在晶间腐蚀倾向，晶间腐蚀是其腐蚀的主要类型。淬火后大角度晶界、夹杂相的界面、亚晶界以及位错等部位优先发生局部脱溶，造成晶界与基体存在电位差，微电池电化学腐蚀是其腐蚀的基本形式。

（2）降低主要合金元素含量、控制Fe、Si等杂质、加大冷加工变形量、加大淬火冷却速率、采取自然时效、人工时效前进行预变形，或人工过时效处理等手段，有利于控制Al-Cu-Mg系高强铝合金晶间腐蚀的程度或降低晶间腐蚀敏感性。

[1]王祝堂.铝合金及其加工手册(第二版)[M].长沙：中南大学出版社，2000

[2]肖亚庆.铝加工技术实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2004

[3]刘晓艳.冷轧变形量对Al-Cu-Mg-Ag新型耐热铝合金抗腐蚀性能的影响[J].中国有色金属学报，2016，26(9)，1881-1884

[4]强亚宏.热处理对LY12合金晶间腐蚀的影响[J].表面技术，1993，22(5)，228-229

[5]尹作升.热处理制度对2024铝合金晶间腐蚀和抗拉强度的影响[J].腐蚀与防护，2011，32(2)，108-112

[6]王祝堂.铝合金及其加工手册[M].长沙：中南工业大学出版社，1988

Intergranular Corrosion of Al-Cu-Mg High-strength Aluminum Alloy

MU Chun
(Southwest Aluminum(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 401326,China)

Theory and influence factor of intergranular corrosion of Al-Cu-Mg high-strength aluminum alloy were narrated.Control methods of intergranular corrosion are analyzed from three aspects of chemical composition,process and heat treatment specification.

Al-Cu-Mg high-strength aluminum alloy;intergranular corrosion;chemical composition;heat treatment

TG146.21

A

1005-4898(2017)06-0022-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.04

牟春（1966－），男，四川巴中人，高级工程师。

2017－09－26