N离子注入改善2195铝锂合金的耐磨和腐蚀性能

窦忠宇，王婷，张荣宇，张殿喜

（安顺学院电子与信息工程学院，贵州 安顺 561000）

在减轻航空航天器质量的前提下，铝锂合金中每增加1%（质量分数）的金属锂，密度降低约3%，弹性模量却提高约6%，产生明显的强化效果，因此铝锂合金是航空航天领域最具潜力的结构材料之一［1-2］。作为第三代铝锂合金，2195铝锂合金因其比强度高、韧性好、抗应力腐蚀性能优异而成为应用最广泛的铝锂合金之一，广泛用于飞机外挂箱、机翼和蒙皮等方面［3］。2195铝锂合金是典型的析出相硬化型合金，不同的热处理工艺可以改变其性能，于利军等［4］研究了热处理工艺T6I6对2195铝锂合金组织和性能的影响，试样经505℃、40 min盐浴固溶、水淬后，再进行T6I6和T6时效处理，T6I6热处理工艺使2195合金相对T6工艺进一步提高了合金塑性及断裂韧性。

目前铝锂合金的研究主要集中在时效成形技术、热处理工艺、焊接技术等方面，采用表面处理工艺提升铝锂合金综合性能的报道较少，Yang等［5］采用激光冲击强化（LSP）工艺对时效处理的2195铝锂合金试样进行表面处理，合金表面晶粒细化，并有部分析出相溶解在表面，硬度最大值出现在顶部表面。苏运来等［6］研究了喷丸强化工艺对铝锂合金疲劳性能影响，Al-Li-XX合金表现出一定的各向异性，而2XXX合金则表现出较明显的各向同性，喷丸强化对两种铝锂合金试件疲劳性能有不同程度的提高，喷丸强化处理后两种材料试件的疲劳寿命分散性均不同程度的增大。Niu等［7］采用面铣削和抛光研磨工艺处理2A97铝锂合金，发现铣削后的表面具有更好的耐腐蚀性能，这得益于加工硬化现象。李茂林等［8］采用机械研磨技术处理1420铝锂合金，表面出现了塑性变形层，晶粒得到细化。肖金涛等［9］研究了工艺参数对2195铝锂合金阳极氧化膜的耐蚀性影响，当硫酸浓度为180～200 g/L，温度为14℃，氧化电压为14V，氧化时间为50 min时，氧化膜具有最好的耐腐蚀性能。离子注入技术使离子与材料表面发生相互作用，导致材料表面的成分、结构和性能会发生变化，使得表面性能变得更好［10-12］。Savaloni等［13］发现氮离子注入铝合金后可以通过降低腐蚀速率和增加疲劳循环次数来提高耐腐蚀性能。陈勇忠等［14］将氮离子注入铝的表面，离子注入剂量增大到一定程度，铝的表面会有AlN出现，这将加强铝表面的耐腐蚀性。郭红伟等［15］采用渗氮工艺提升了不锈钢基体的耐磨性能。离子注入技术是提高合金表面性能的有效手段，本文对2195-T6铝锂合金使用离子注入技术进行处理，研究N离子注入前后铝锂合金试样表面组织与性能的变化，为铝锂合金表面处理工艺提供实验参考。

1 实验材料及方法

实验材料选用2195铝锂合金板材，经过T6热处理工艺，购自国内某公司，化学成分见表1，使用线切割机加工成15 mm×15 mm×5 mm的尺寸，再用1000 #和2000 #水磨砂纸打磨后进行抛光处理，使用超声清洗10 min后冷风吹干。在西南核物理研究所研制的多功能离子注入与沉积设备上进行N离子注入实验，N离子注入实验前先进行离子清洗10 min，真空度为1.5×10-3Pa，注入能量为30 keV，抑制电压1 keV，注入剂量为1×1018ions·cm-2。

表1 2195铝锂合金化学成分Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy

采用X’Pert PRO衍射仪进行XRD测试，检测角20°～90°，扫描速度10°/min，步长0.013°/s；采用HV-1000维氏显微硬度计测试表面硬度数据，选取5个部位取其平均值，载荷2.94 N，保载时间为15 s；采用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机进行铝锂合金表面摩擦实验，使用Al2O3球进行干摩擦，摩擦方式为圆周运动，摩擦时间20 min，载荷10 N，摩擦速度100 r/min，摩擦半径12 mm，使用PhaseShiftMicroXAM-3D测量了磨痕的磨损体积用以表征磨损性能；使用上海辰华CHI660E电化学工作站进行了电化学测试，测试试样为工作电极，辅助电极为Pb电极，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为3.5%NaCl水溶液；在5%NaCl水溶液进行浸泡实验，浸泡时间为48 h，试验温度25℃，使用失重法计算腐蚀速率［16］，采用电子天平对浸泡实验试样进行称重，精确到0.1 mg，实验后用SEM观察去除腐蚀物后离子注入前后试样的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为氮离子注入前后2195铝锂合金的X射线衍射图谱，从图1可知，2195铝锂合金表面主要以Al基体相为主，Al相的衍射峰2θ分别出现在38.45°、44.73 °、65.13 °、78.17 °、82.35 °等处。同时发现N离子注入后铝锂合金表面出现了AlN新相，而AlN相的2θ值依次为44.77°、65.23°、78.12°，这与高剂量N离子注入铝合金的结果是一致的［17］，铝锂合金中Li元素含量较少且以化合物状态存在，2195铝锂合金的相结构最强衍射峰始终为晶面（200）和（220），但是衍射强度增大，这说明2195铝锂合金的择优取向并未发生变化。

图1 离子注入前后试样的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of samples before and after ion implantation

2.2 显微硬度

图2为N离子注入前后铝锂合金试样5次测量的显微硬度，未处理试样的硬度在154 HV左右，经过离子注入后的试样表层硬度显著降低，说明表层出现了软化现象。有报道［18］对铝锂合金进行喷丸强化处理，结果发现铝锂合金的硬度降低但伸长率得到提高，软化现象是由于离子注入过程中热效应和塑性变形同时作用产生的动态再结晶，导致位错密度减小，在表面处理中的纤维织构转化也使的合金变形更加容易，结果导致材料表面改性层软化。

图2 铝锂合金离子注入前后铝锂合金试样的显微硬度Fig.2 Microhardness of Al-Li alloy samples before and after ion implantation of Al-Li alloy

2.3 摩擦磨损性能

图3为2195铝锂合金N离子植入前后的摩擦系数。由图3可知铝锂合金试样在离子注入前后的平均摩擦系数大小都约为0.43，说明离子注入后摩擦系数并未发生明显变化。通过离子注入层的软化现象和AlN相的产

图3 铝锂合金离子注入前后摩擦系数Fig.3 Friction coefficient of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

生来说明摩擦系数的原因，磨损行为可以用颗粒混合的薄软层模型来解释［19-20］，摩擦系数μ可以描述为表面剪切强度（S）与硬度（P）的比值，在表面覆盖一层软材料，接触处的剪切强度为Ss，软化层的摩擦系数μ=Ss/P，在硬度大幅降低时剪切强度也随之变化，因此摩擦系数μ在高剂量N离子植入下未发生改变。图4为离子注入前后合金试样的磨痕三维形貌，从图4中可以看到，铝锂合金进行离子注入后相比较于未处理试样的磨痕深度变浅，磨损体积也从2.07×107μm3降低到1.84×107μm3，磨损量有所减少。

图4 铝锂合金离子注入前后试样磨损形貌Fig.4 Wear morphology of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

图5为合金试样离子注入前后的磨痕形貌，从图5中可知，未处理合金试样表面犁沟较深，同时还有片状磨屑，说明试样在摩擦过程中发生了严重的磨粒和粘着磨损，表面脱落的Al在摩擦过程中充当磨粒产生了明显的犁沟。离子注入试样表面犁沟较浅，表明磨粒磨损的状况得到改善，同时粘着磨损情况减少，这是由于摩擦过程中过饱和氮的扩散能力得到加强，过饱和固溶氮向表面和试样深层扩散，使得分布展宽，表面存在大量弥散的AlN颗粒不易粘着［21-22］。离子注入试样相比较于未处理试样，其磨损量降低，且磨痕表面较为平整光滑，说明N离子注入可以提升铝锂合金的耐磨性能。

图5 铝锂合金试样离子注入前后的磨痕形貌Fig.5 Morphology of wear scratch of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

2.4 腐蚀性能

2195铝锂合金原样和离子注入试样的极化曲线如图6所示，使用Tafel外推法和失重法得到的腐蚀信息见表2。从图6中可以发现两者曲线较为相似，但在N离子注入后，合金的阳极极化曲线向钝化方向迁移，腐蚀电位增加，腐蚀电流减小，浸泡实验所得的腐蚀速率表明注入后腐蚀速率大幅降低，说明N离子注入能有效改善铝锂合金表面的耐蚀性能。这种行为可以归因于注入样品层中氮化铝的形成和表面所含的天然氧化物层，这两层保护材料提升了合金的耐蚀性能［23］。此外，有研究指出在高剂量N离子注入下，铝合金表面晶界尺寸增大，晶界数减少，表面粗糙度减小，这些变化都有利于增强试样的腐蚀行为［13］。

图6 铝锂合金离子注入前后试样的极化曲线Fig.6 Polarization curves of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

表2 N离子注入前后试样的腐蚀数据Tab.2 Corrosion data of samples before and after N ion implantation

图7为铝锂合金试样离子植入前后在5%NaCl溶液腐蚀后的SEM图，从图中可以看到未处理试样的表面腐蚀行为较为严重，晶间腐蚀明显可见，由于点腐蚀使得铝锂合金表面形成一些细微的裂纹和孔洞，N离子注入注入后的试样表面较为完整没有明显的点腐蚀现象，只出现了轻微的腐蚀，表面腐蚀性能的提升是由于氮离子注入后所形成的AlN以及过饱和氮的扩散能够对表面起到保护作用，腐蚀形貌观察佐证了电化学的测试结果，说明N离子注入可以有效提高2195铝锂合金的耐蚀性能。

图7 铝锂合金试样离子注入前后的腐蚀形貌Fig.7 Corrosion morphologies of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

3 结语

本文对经T6热处理后的2195铝锂合金试样进行N离子注入处理，发现N离子注入后铝锂合金表面有新相A1N的出现，离子注入后的试样表面出现软化现象，这是由于注入过程中动态再结晶和织构转化造成的。N离子注入前后试样的摩擦系数没有变化，但离子注入试样的耐磨性能得到提高，摩擦过程中磨粒磨损和粘着磨损程度大幅减轻。N离子注入后铝锂合金的腐蚀电位提高，腐蚀电流减小，在5%NaCl溶液浸泡后试样的腐蚀速率相较于未处理试样明显降低，腐蚀后表面形貌较为完整，点腐蚀现象明显改善，说明N离子注入是提高2195铝锂合金的耐磨和耐蚀性能的有效手段。