高温预析出热处理工艺对7N01铝合金应力腐蚀的影响

(广西大学 资源环境与材料学院 广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室，南宁 530004)

7N01铝合金是日本为轨道车辆轻量化专门开发的新型Al-Zn-Mg系高强铝合金，它以铝为基体，添加了Zn、Mg、Mn、Ti等元素，具有较高的强度，同时具有优良的热变形性能、焊接性能及宽的淬火温度范围，主要用于轨道高速列车车体的端面梁、车架枕梁、侧面构件骨架、底座、门槛、车端缓冲器等重要部件，也被应用于大型建筑物及航空航天等领域[1-4]。MASTSUDA等[5-8]很早就对7N01铝合金的焊接性能及耐腐蚀性能进行了研究，并取得了一定成果。我国对7N01铝合金的研究主要集中于合金的失效分析、性能分析、热变形行为模拟、焊接等方面[9-12]，但对其应力腐蚀的研究较少。故本工作通过慢应变速率试验(SSRT)，研究了高温预析出热处理工艺对7N01铝合金抗应力腐蚀开裂(SCC)性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料7N01铝合金为国内某公司生产的大型挤压型材(轨道车体底框架横梁)，T4热处理态，其化学成分如表1所示。

表1 7N01铝合金的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of 7N01 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 试验方法

1.2.1 热处理工艺

按照YS/T 591-2006《变形铝及铝合金热处理规范》对T4热处理态的7N01铝合金试样进行高温预析出热处理(包括固溶及时效处理)。热处理在箱式电阻炉中进行，具体工艺过程见图1。待炉温度达到固溶温度(470 ℃)并稳定后，将试样放入箱式电阻炉中，并按适当的间距排开，以保证所有试样都能够均匀受热，降低试验误差，并且方便淬火时取样。

图1 高温预析出热处理工艺示意图Fig. 1 Schematic of high temperature pre-precipitation heat treatment

1.2.2 显微组织观测

在20 mm厚7N01铝合金板上选取具有代表性的区域，采用电火花线切割机切取10 mm×10 mm×15 mm的金相试样，用腐蚀剂(Keller试剂)腐蚀金相试样，腐蚀时间为15～30 s。然后使用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察和分析试样的显微组织，同时利用能谱仪(EDS)分析合金的微区成分。

1.2.3 慢应变速率试验

采用NKK-4050型慢应变应力腐蚀试验机进行慢应变速率试验(SSRT)，分别测试了T4与高温预析出两种热处理态的SCC敏感性，研究了在温度35 ℃、应变速率1.33×10-6s-1、惰性环境(干燥空气)和腐蚀环境(3.5% NaCl+0.5% H2O2)条件下两种热处理态7N01铝合金的抗应力腐蚀开裂(SCC)性能。

SSRT试样采用片状试样，参考GB/T 15970.7-2000《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢应变速率试验》及GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行设计，如图2所示。取样方向为纵向(L)及横向(T)，试样工作标距长为25 mm，使用400号～1 200号水砂纸逐级打磨试样，并用丙酮除去试样表面油污，并用蒸馏水清洗后吹干，用卡尺测量并记录标距段平均横截面积，然后用硅酮耐候密封胶封闭试样非工作段并安装好试样。测试前施加约100 N的预加载荷以消除夹头、齿轮等的间隙，试验结束后及时取下试样减少腐蚀液对断口形貌的影响，采用超声波清洗断口，并测量断口横截面积及断后标距段长度。试验中通过图3所示的手工自制的温控腐蚀溶池控制试验温度。

图2 SSRT试样尺寸Fig. 2 Dimension of SSRT sample

图3 自制温控腐蚀溶池Fig. 3 Self-made temperature-controlled corrosion solution tank

SSRT试验结束后，依据GB/T 15970.7-2000标准及力学性能指标评定材料在腐蚀介质中的应力腐蚀敏感性。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图4为T4热处理态7N01铝合金的表面SEM形貌。可以看到，合金中有粗大的亮白色第二相存在，这些相在变形过程中破碎、被拉长形成带状组织，并沿着变形方向呈直线排列。但第二相的含量相对较少，这与7N01铝合金化学成分相对应，即Fe、Si杂质元素含量少。Fe、Si是铝合金中最常见的杂质元素，其来源主要是原材料及熔铸过程中使用的工具和设备。Fe与Mn会形成难溶的粗大化合物AlMnFeSi、(FeMn)Al6、(FeMn)Si2Al5，降低铝合金的力学性能。Si则与Mg形成Mg2Si相，减少铝合金中主要强化相MgZn2(η)相的含量，降低铝合金的力学性能[13]。

(a) 低倍

(b) 高倍图4 T4热处理态7N01铝合金的表面SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of 7N01 aluminum alloy surface in T4 heat treatment state: (a) low magnification; (b) high magnification

对7N01铝合金的微区化学成分进行能谱分析，分析位置见图5，分析结果见表2。结果表明：图5中区域2处粗大的亮白色第二相主要含Fe、Si、Mn等元素，图5中区域1处仅含Al、Mg、Zn元素，为7N01铝合金基体。

图6为不同热处理态7N01铝合金的显微组织。从图6中可以看到，挤压型材铝合金中晶粒沿着变形方向呈细条状分布，而且其晶粒较为细小，并未见到明显的再结晶晶粒。此外，铝合金中只有零星的含(Fe、Si)杂质相存在，如图6 (b)中A所示。高温预析出热处理后，7N01铝合金很难被腐蚀液腐蚀出明显的晶界，这也说明其具有良好的耐腐蚀能力。

图5 7N01铝合金的能谱分析位置Fig. 5 Locations in 7N01 aluminum alloy for EDS analysis

表2 7N01铝合金微区EDS分析结果(质量分数)
Tab. 2 EDS analysis results of micro areas in 7N01 aluminum alloy (mass fraction) %

区域FeSiZnMgMnCrAl1-3.01.7-95.3--28.03.11.31.21.80.683.9

2.2 抗SCC性能

表3列出了不同热处理状态7N01铝合金的SSRT结果，可以看出试样在进行高温预析出热处理后,其抗拉强度σb比T4态的低，但塑性指标(断面收缩率ψ和断后伸长率δ)与断裂寿命(TF)都有一定程度的提高。表4是不同热处理状态7N01铝合金的SCC敏感性，通过比较可以发现，通过高温预析出热处理后7N01铝合金的各项指数都有不同程度的升高，说明高温预析出可以提高T4热处理态铝合金的抗SCC性能。

图7是不同热处理态7N01铝合金的应力-应变曲线。由图7及表4可以看出，采用高温预析出热处理工艺可以同时提高7N01铝合金的塑性和抗SCC性能，但是其抗拉强度会损失约10%，相对于回归再时效工艺(RRA)，高温预析出热处理工艺在工业应用中的可行性更高，所以是较好改善7N01铝合金抗SCC性能的热处理工艺。

(a) T4，低倍 (b) T4，高倍 (c) 高温预析出，低倍 (d) 高温预析出，高倍图6 不同热处理态7N01铝合金的显微组织Fig. 6 Microstructure of 7N01 aluminum alloy in different heat treatment states: (a) T4, low magnification; (b) T4, high magnification; (c) high temperature pre-precipitation, low magnification; (d) high temperature pre-precipitation, high magnification

表3 不同热处理态7N01铝合金的SSRT结果Tab. 3 SSRT results of 7N01 aluminum alloy in different heat treatment states

表4 不同热处理态7N01铝合金的SCC敏感性Tab. 4 SCC sensitivity of 7N01 aluminum alloy in different heat treatment states

2.3 断口分析

图8是T4热处理态7N01铝合金的断口形貌。从图8(a)可以看到，断口并没有严重的点蚀现象。该7N01铝合金挤压型材的组织中粗大第二相(杂质)含量很低，金属表面的氧化膜对金属起到了很好的保护作用，所以基本没有发生以这些第二相为腐蚀阳极从而形成点蚀源并最终导致裂纹扩展的情况。但氧化膜却形成了另一种开裂——滑移溶解模型。这是由于在变形过程中，铝合金表面的氧化膜不能与基体金属同步滑移，氧化膜的脆弱部分就会产生开裂，如图8(a)中A所示。裸露的新鲜金属与腐蚀液接触形成了以表面氧化膜为阴极、新鲜金属为阳极的原电池，发生阳极溶解。当溶解的区域相扩大到一定程度后，氧气吸附，再次产生氧化膜层，使溶解区重新处于钝化状态，形成“隧洞”。应力促使位错重新开动，使重新形成的钝化膜再次破裂，裸露的新鲜金属表面又快速溶解。通过位错滑移-钝化膜破裂-金属阳极溶解-表面再钝化过程的循环往复，应力腐蚀裂纹不断形核并扩展，图8(b)中B、C则是其扩展的两个阶段。在阴极氧化膜处产生的阴极析氢反应则会造成氢致开裂的加速。图8(c)中D为断口中心区出现的腐蚀点，这说明铝合金表面氧化膜破坏，在晶界处最终发生沿晶腐蚀开裂，形成阳极腐蚀通道。

(a) 氧化膜开裂 (b) 裂纹扩展 (c) 腐蚀点图8 T4热处理态7N01铝合金的断口形貌Fig. 8 Fracture morphology of 7N01 aluminum alloy in T4 heat treatment state: (a) oxide film cracking; (b) crack growth; (c) corrosion pits

图9是高温预析出热处理态7N01铝合金的断口形貌。结果表明，经高温预析出热处理后7N01铝合金并未出现腐蚀点，也未形成腐蚀通道，这说明高温预析出热处理工艺可以减少腐蚀点与腐蚀通道的形成，降低晶间腐蚀，增强7N01铝合金的抗SCC性能。

(a) 低倍 (b) 高倍图9 高温预析出热处理态7N01铝合金的断口形貌Fig. 9 Fracture morphology of 7N01 aluminum alloy in high temperature pre-precipitation heat treatment state: (a) low magnification; (b) high magnification

3 结论

采用高温度预析出热处理工艺对T4热处理态7N01铝合金挤压型材进行高温预析出热处理(470 ℃×1 h+400 ℃×30 min+120 ℃×24 h)，SSRT结果表明,高温预析出热处理工艺可以明显提高T4热处理态7N01铝合金的抗SCC性能和塑性，同时保持较高强度。