回归再时效对7×××系铝合金强度及耐腐蚀性能的影响

2020-05-15施娟娟陈忠家谢元福牛龙飞

铝加工 2020年1期

施娟娟，陈忠家，谢元福，牛龙飞

（合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥230009）

0 前言

7×××系铝合金具有超高强铝合金之称，是目前工业使用的强度最高的铝合金系别，由于其高强与轻质的完美结合，综合性能高于传统钢材，在航空航天用结构件中占主要地位[1-2]。但是7×××系铝合金耐腐蚀性能不够理想，跟不上力学性能发展的步伐，这影响了其在一些特殊场合的安全使用。近年来，随着国内航空航天行业的迅速发展，在与钛合金以及复合材料的竞争下[3-4]，7×××系铝合金耐腐蚀性提高的愿望变得更加迫切。

为了提高7×××系铝合金的耐腐蚀性能，有研究者[5]从合金成分角度出发，加入Er、Sc 等稀土元素，可细化原始晶粒与再结晶晶粒，使得合金强度提升，同时使单位体积内的晶界数量增加。另外，还可以使晶界处析出相更分散析出，形成不连续链状分布，耐腐蚀性得以提升。还有研究者通过改善热处理制度（如固溶工艺与回归再时效工艺）来提高合金综合性能。罗勇[6]等人采用了强化固溶热处理工艺使合金的剥落腐蚀等级达到PB。热处理工艺中对合金耐腐蚀性能改善最明显的就是回归再时效工艺。1991 年，美国Alcoa 公司开发的T77 工艺使合金耐腐蚀性能得到极大提高，在其广泛应用于飞机蒙皮和龙骨架以后，国内外研究者们对RRA工艺的探究热情无比高涨。Hannm 等人[7]研究的RRA 制度表明该工艺可使合金的断裂韧度和抗腐蚀性能得以明显提高。郑子樵和龙佳等人[8-9]探究了7055合金的连续RRA和双级时效工艺，结果发现这两种工艺均可明显提高合金的综合性能，提升铝合金板料的产品质量。但是他们的重点仅在于RRA中预时效工艺的研究。RRA中回归工艺可使合金内析出相回溶进基体，对后续性能的影响同样至关重要。

本文以7×××系铝合金板料为研究对象，通过改变RRA 工艺中的回归温度与回归时间，研究RRA 工艺对高强铝合金力学性能和耐腐蚀性能的影响，为工业生产提供参考。

1 实验材料及方法

以自制7×××系铝合金为研究对象，名义成分为Al-8.1Zn-2.2Mg-2Cu-0.2Zr-0.25Ce，轧至厚度为1.5 mm左右板料，随后进行450℃×90min＋465℃×40 min＋475 ℃×20min的强化固溶处理和120 ℃×24h 预时效处理，之后进行回归处理。选取回归温度与回归时间为变量，研究150 ℃、170 ℃、190 ℃、210 ℃和230 ℃温度下保温40 min与190 ℃下保温10 min、20 min、30 min 和40 min 对合金性能的影响。最后进行120 ℃×24 h终时效。

为了研究回归工艺对7×××系铝合金强度与耐腐蚀性能的影响，本文采用金相和X射线衍射分析方法观察合金微观组织，通过室温拉伸实验测得合金力学性能，使用电导率与极化曲线测试分析合金耐腐蚀性能。合金的金相观察在MR2000型光学显微镜下进行。通过X-Ray衍射实验，分析不同处理状态下的7×××系铝合金中析出相的种类与数量。室温拉伸在CMT5105 型微机控制电子万能实验机上进行，拉伸速率为2 mm/min。电导率的测试使用SZ-82数字式四探针测试仪进行。采用CHI660D电化学工作站测试极化曲线，测试系统为三电极系统，电解液为3.5%NaCl，扫描速率为0.006 V/s。外加电流密度取对数作为纵坐标，其相应的电位作为横坐标，即可得到外加电流的极化曲线。

2 结果分析

2.1 显微组织

图1为合金经过150 ℃、190 ℃和230 ℃3种回归温度下保温40 min 后的RRA 态金相组织。RRA工艺不改变合金晶粒尺寸，只会改变晶内与晶界析出相分布。从图1可知，随着回归温度的提高，晶界粗化，合金内部析出相也逐渐增多。

图1 不同回归温度下的合金显微组织

RRA40-x与RRAx-190组合金的XRD分析图如图2所示。由图可知随着回归温度和回归时间的增加，合金中的MgZn2相析出数量逐渐增多，这说明增加回归温度和回归时间可以促进MgZn2相析出。这主要是因为合金在高温短时回归时GP 区会发生回溶，同时在该温度下有益于η′相和η相的析出[10]。晶内和晶界分别有大量的η′相和η相存在。随着温度的提升与保温时间的延长，析出相析出动力变强，表现为GP区向η′相和η相转变，使MgZn2相析出数量增加。

图2 RRA40-x与RRAx-190合金XRD分析图

2.2 力学性能

表1 为不同回归温度与回归时间下的拉伸性能。若合理控制回归工艺的温度与时间，可以使合金强度得以提升，这主要是因为合金析出相在回归再时效工艺中进行了回溶与再析出这一过程。铝合金中主要的强化方式为晶界强化、弥散强化和位错强化[11]。在位错强化与晶界强化一定的情况下，影响合金力学性能的主要是其晶内的强化相所形成的弥散强化效应，其中主要影响强度的是η′相[13]。由表1 可知在RRA40-x 组中，随着回归温度的增加，合金强度先增大后降低，在190 ℃×40 min时达到峰值653.5 MPa，延伸率为11.5%。此时与T6 态相比，强度提高，延伸率降低。在较低温度进行回归时，GP区回溶转化为η′相的析出驱动力不足。而随着回归温度的增加，190 ℃时析出相转化驱动力得以提升，合金强度增加。随着回归温度的继续升高，当回归温度在210 ℃以上时，合金强度开始降低。这是因为当回归温度继续升高时，渐渐达到了η′相的回溶温度，并且稀土元素Zr 和Ce 的添加可以降低η′相的回溶温度，因此当合金在210 ℃以上回归时，合金中的析出相转化趋势变为GP 区和η′相回溶进入基体同时转化为η相析出，强化相减少，强度略有下降。在RRAx-190组中，随着回归时间的延长，合金强度先增大后降低，延伸率变化则相反。在190 ℃×20 min 时强度达到峰值702.2 MPa，延伸率为8.3%。此时的GP区向η′相转化的效率最高。随着回归时间的延长，η′相有向η相转变的趋势，合金强度发生轻微下降，保温40 min时合金强度为653.5 MPa，相比190 ℃下回归20 min时强度降低，但还是略高于T6态板材。

表1 RRA40-x与RRAx-190合金的力学性能与电导率

2.3 耐腐蚀性能

电导率与合金的抗应力腐蚀能力密切相关，电导率越高，抗应力腐蚀性能越好[12]。RRA40-x 与RRAx-190 组合金电导率测试结果如表1 所示。合金经过回归工艺后使共格GP 区回溶，同时析出与基体完全不共格的η相，大大减小了基体畸变程度，同时增大晶界处η相之间间距，阻碍η相之间电链应，从而使合金对自由电子的阻碍程度减小。电阻率减小电导率得以提升。由表1可知RRA40-x组电导率随着回归温度的增加而增大。在回归温度为190 ℃时电导率明显增大，为38.5%IACS，此时η′相和η相大量析出，晶格畸变减弱，同时晶界处有不连续η相，电导率上升。同理，在RRAx-190组中，随着回归时间的增加，η相析出增加，晶格畸变减小，合金的电导率逐渐增大。随着回归温度的继续上升，在温度为210 ℃以上时，合金中析出相转化趋势为GP区和η′相向η相转变，电导率大幅度增加，230 ℃×40 min时达到47%IACS。

在电化学反应中，反应过程所得到的参数满足一定的客观规律。当外加极化电位较大时，外加电流与极化电位满足Tafel 关系，因此通过测得Tafel曲线来分析其中参数变化是一种检测合金耐腐蚀性能的可靠手段[14-15]。其中自腐蚀电位为热力学参数，其数值越负，表示合金越容易被腐蚀；腐蚀电流密度为动力学参数，其数值越小，表明合金腐蚀速率越慢[16]。图3 为RRA40-x 与RRAx-190 组合金试样在3.5%NaCl 溶液中的动电位扫描极化曲线。可以看出，在阳极极化过程中均出现了明显的钝化现象，这是因为在铝合金的表面存在一层钝化膜。从金属热力学来说，铝转变为离子标准电位是-1.67 V，比开始腐蚀的标准电位-0.411 V 低的多[14]。但是铝合金在大气中不会很快腐蚀的原因就是致密的氧化铝薄膜形成的钝化膜，它可以减缓合金腐蚀。合金在经过RRA 处理后，依据塔菲尔切线法得到各组曲线对应的Ecorr 和Icorr，如表2 所示。可以看出，随着回归温度的提高，合金的自腐蚀电位依次正移，自腐蚀电流呈现降低趋势，合金腐蚀敏感性逐渐降低，耐腐蚀性逐渐增强。在相同的回归温度下，随着回归时间的增加合金自腐蚀电位正移，自腐蚀电流减小，腐蚀速率减小，耐腐蚀性能增加。极化曲线测试结果与电导率变化规律基本一致。