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预变形对时效态Al-Cu-Li-Mg-Sc铝锂合金的腐蚀行为影

发布时间:2021-04-28 06:54:09|浏览次数:
预变形对时效态Al-Cu-Li-Mg-Sc铝锂合金的腐蚀行为影响
肖代红,陈炜斌,吴名冬, 刘文胜,黄兰萍
(中南大学轻质高强结构材料重点实验室,湖南 长沙 410083)
摘要:通过电子显微镜分析、电化学技术、晶间腐蚀试验等方法,研究了不同预变形量对Al-3.95Cu-1.0Li-0.4Mg-0.1Sc铝锂合金显微组织及腐蚀行为的影响。研究结果表明,预变形处理能够提高铝锂合金的腐蚀行为;由于随着预变形量增加,晶粒内位错密度增大,θ'(Al2Cu)相的析出受到抑制,而晶粒内部T1(Al2CuLi)相均匀细小弥散析出。晶界上T1相析出减少并由连续析出转变为非连续析出,PFZ宽度逐渐减小,导致腐蚀原电池的形成受到抑制,提高铝锂合金的耐腐蚀性。
关键词:铝锂合金;预变形;显微组织;腐蚀行为
中国分类号:TG146.2, 文献标识码:A
 
       与传统结构材料相比,新型铝锂合金具有低密度、高强度、强韧性、耐腐蚀等优点,在军事、航空航天领域具有重要的应用前景[1-2]。国外俄罗斯铝锂合金研究起步较早,其中Al-Cu-Li-Mg-Sc系铝锂合金因其高强和可焊性等优异性能在航空工业中广泛使用[3]。为获得具有优异力学性能的铝锂合金,国内外研究者进行了广泛的研究。传统铝锂合金板材制造途径是通过固溶淬火之后进行预变形处理来实现的,其预变形处理程度一般在2%-5%,主要目的是为消除淬火后的大量残余应力,提高材料强度和促进析出相时效析出[4]。Al-Cu-Li-Mg-Sc铝锂合金中强化析出相主要由T1(Al2CuLi)、δ'(Al3Li)、θ'(Al2Cu)等组成,还包括在基体中添加一些扩散系数小的元素形成的弥散相Al3Zr和Al3Sc[5],其中T1(Al2CuLi)相在铝锂合金中起主要析出强化作用[6]。Cassda等[7]研究了T1相的形核机制,认为T1相优先在面缺陷、位错、空位等形核,而预变形处理能够改变T1相的析出分布。然而,T1相的析出分布对铝锂合金的腐蚀行为会产生显著的影响。Kumar等[8]研究认为相比于Al基体,T1相具有更负的腐蚀电位,当T1相析出在晶界和亚晶界时,导致形成Cu和Li原子贫乏的无沉淀析出区(PFZ)。由于T1相和无沉淀析出区(PFZ)之间的电势差,导致材料发生腐蚀。Li等[9]研究认为铝锂合金的局部腐蚀与T1相阳极腐蚀相关。当T1相局部析出时,T1相与邻近区域电势不同,导致T1相作为阳极而腐蚀。总之,已有的文献认为铝锂合金的腐蚀行为与T1相的分布有紧密联系[10]
       在之前的研究中,较多关于通过预拉伸产生塑性变形的报道,也有采用冷轧变形-预拉伸变形的结合,但关于较大的冷轧预变形(超过实际工业应用的6%)对铝锂合金性能的影响研究报道较少。为满足铝锂合金在复杂的工业环境上的应用需求,对合金的综合性能提出了更高要求,特别是耐腐蚀性能。因此,本课题拟研究不同冷轧预变形量对Al-Cu-Li-Mg铝锂合金微观组织结构和腐蚀行为的关系,为高性能铝锂合金的制备加工提供参考。
     
        1. 实验方法
       采用真空熔炼及氩气保护浇铸制备Al-3.95Cu-1.0Li-0.3Mg-0.1Sc合金,合金经过均匀化及热挤压后制备板材,然后在520℃进行固溶处理,合金的时效工艺采用T6(人工时效)和T8(预变形+人工时效)(表1)。时效之后的合金板材通过线切割处理制得标准拉伸样,拉伸样尺寸如图1所示。
 
图1拉伸样尺寸 (unit: mm)
 
表1 时效参数

Aging treatments Aging temperature/℃ Aging time/h Pre-deformation/%
T6 160 36 0
T8 160 36 3.5,5,10,15
 
 
       采用透射电子显微镜(TEM, TecnaiG2 F20)来对微观结构和晶界形貌进行表征。为表征本实验合金在不同预变形加工条件下的腐蚀趋势,采用电化学技术和晶间腐蚀试验协同研究合金的腐蚀行为。利用CHI660D电化学工作站对合金在3.5% NaCl溶液中浸泡10 min后进行动态极化曲线测试,动态极化测试的扫描速率为0.1 mv/s,扫描范围为-1 VSCE到0 VSCE。在动态极化曲线测试中,测试样品作为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)、铂电极分别作为参比电极和辅助电极。晶间腐蚀试验按照GB/T 7998-2005标准进行,腐蚀溶液为57 g/L NaCl+10 ml H2O2溶液,溶液温度为35±2℃,浸泡36 h,利用金相显微镜(OM, LEICA MEF4A/M)对试样的腐蚀横截面进行观测,用最大腐蚀深度值表征腐蚀程度;最后利用扫描电子显微镜(SEM, Quanta 250)对试样的腐蚀表面进行观察。
     
       2. 实验结果
       2.1 腐蚀行为
      铝锂合金在3.5% NaCl溶液中浸泡10 min后的动态极化曲线和相应电化学参数分别由图2和表2所示。不同状态合金的极化曲线都表现出相似的动态极化特性,未变形合金的腐蚀电势为-0.7924 VSCE,当变形量为3.5%时,腐蚀电势为-0.7762 VSCE,可见合金的电势相比前者显著增加。进一步增加预变形量至5%时,合金的腐蚀电势增加不显著。主要由于变形量3.5%与5%差异较小,导致腐蚀电势增加较小。当施加大变形量10%与15%时,合金腐蚀电势增加显著,分别达到了-0.7316 VSCE、-0.7147 VSCE。相比未变形合金,合金的腐蚀电势逐步增加,表明预变形量增加,合金耐腐蚀性提高。通过表2腐蚀电流密度能进一步证实,变形量与合金耐腐蚀性有紧密联系。未变形合金具有最大的腐蚀电流密度(7.60 10-2 mA.cm-2),当合金被施于预变形处理形量的提高会导致合金耐腐蚀性提高
图2铝锂合金动态极化曲线
 
        为进一步研究铝锂合金在不同预变形量下的腐蚀行为,对合金进行晶间腐蚀(IGC)试验。经不同预变形处理的铝锂合金的腐蚀截面图和最大腐蚀深度分别由如图3和表3所示,通过腐蚀形貌和最大腐蚀深度来评估耐腐蚀能力。由图3(a)可见,当合金未经变形处理时,合金腐蚀形态表现为向内部延伸的裂纹,最大腐蚀深度为79.7 μm,腐蚀类型为晶间腐蚀(IGC)。当施加3.5%变形量时,腐蚀破坏程度有较小程度下降,最大腐蚀深度为77.6 μm,如图3(b)所示。进一步增加变形程度至5%时,由图3(c)可见,合金腐蚀程度和破坏区域显著减小,最大腐蚀深度减小至75.1 μm,并且还可以观察到晶间腐蚀发生。继续增加变形量至10%时,合金腐蚀区域和破坏程度显著减小,并且晶间腐蚀消失,最大腐蚀深度减小至74.6 μm,如图3(d)所示。进一步施加15%变形量时,由图3(e)可见,仅观察到细微的腐蚀破坏,最大腐蚀深度减小至69.8 μm。
表2铝锂合金电化学参数

Conditions Pre-deformation /% Ecorr/(V vs.SCE) Icorr/(mA.cm-2)
T6 0 -0.7924 7.60 10-2
T8 3.5 -0.7762 7.29 10-2
  5 -0.7741 5.84 10-2
  10 -0.7316 5.33 10-2
  15 -0.7147 2.55 10-2
 
 
图3铝锂合金的腐蚀截面图:(a) 0%; (b) 3.5%; (c) 5%; (d) 10%; (e) 15% 
 
表4  铝锂合金最大腐蚀深度

Conditions Pre-deformation/% Corrosion depth/μm
T6 0 79.7
T8 3.5 77.6
  5 75.1
  10 74.6
  15 69.8
 
 
       铝锂合金在不同预变形量下的腐蚀表面形貌SEM图如图6所示。由图4(a)可见,当合金未变形处理时,合金内部腐蚀严重,出现点蚀坑和大量白色腐蚀产物。当施加3.5%变形量时,点蚀破坏程度下降,仍然存在大量白色腐蚀产物(图4(b))。进一步增加变形量至5%时(图4(c)),腐蚀裂纹数量和腐蚀白色产物数量减少。 继续增加变形量至10%时,合金腐蚀裂纹数量明显减少,仍存在明显的点蚀坑和少量腐蚀产物颗粒,如图(图4(d))所示。进一步增加至15%变形量时,由图4(e)所示,仅观察到细微的腐蚀裂纹和点蚀坑,腐蚀产物颗粒显著减少。结合图5腐蚀截面图和图6表面腐蚀SEM图可知:随预变形程度的提高,合金的耐腐蚀性随之提高。
图4铝锂合金的腐蚀表面形貌SEM图
(a) 0%; (b) 3.5%; (c) 5%; (d) 10%; (e) 15%
 
        2.2 时效析出组织
       铝锂合金预变形量为0%、10%、15%的TEM明场像(BF)图和其对应的选区电子衍射斑(SAED)如图5所示,其中图5(a-c)和(d-f)的入射电子束方向分别为<110>Al和<112>Al。不同状态合金的微观结构都由α-Al基体和一定数目针状的第二相(T1, θ'相)组成,其中T1相和α-Al基体还存在一定的晶体取向关系。通过图5(a-c)选区电子衍射斑点(SAED)对比,预变形量为0%状态下θ'相的衍射条纹在[110]Al SAED图中明显,而预变形量为10%和15%状态下θ'相的衍射条纹在[110]Al SAED图中减弱,T1相的衍射条纹和衍射斑点增强。由图5(a)可见:θ'相和T1相的尺寸都大于200 nm。当经过变形处理后,晶粒内θ'相数量减少,T1相尺寸减少并且数量增加,如图5(b, c)所示。结果表明预变形能够有效抑制θ'相的析出和促进T1相的形核析出[11]。由图5(d-f)发现,预变形对T1相的析出分布也存在明显影响,未变形处理晶粒内T1相随机分布,而预变形量为10%和15%状态的T1相弥散均匀析出。结果表明,预变形导致第二相(T1, θ'相)在分布和数量上产生明显差异。因在时效之前进行预变形处理将会导致在α-Al基体中产生大量的位错,位错密度的改变将导致θ'相析出受到抑制和T1相均匀弥散析出[12]
       为进一步探讨预变形处理对铝锂合金晶界析出的影响,对预变形量0%与10%的合金进行了观察,如图3所示,其中图6(a, b, d)和(c)的入射电子束方向分别为<110>Al和<112>Al。由图6(a, b)可知,当变形量为0%时,析出相沿晶界连续析出,导致无沉淀析出区(PFZ)较宽。当变形量增加到10%,晶界上呈现不连续析出;同时,晶界析出相细化且PFZ的宽度减小。由图6(c)可知析出相在晶界上析出密集,尺寸小,而晶粒内析出分散且尺寸大。如图6(d)高分辨图和SAED所示,当电子束方向为<110>Al时,发现图中两条平面薄层间具有120℃夹角,根据Cassda等[7]研究可以确定晶界析出相为T1相。
 
图5铝锂合金TEM及其SAED
 (a, d) 0%; (b, e) 10%; (c, f) 15; (a, b, c) 晶带轴为 <110>Al; (d, e, f) 晶带轴为 <112>Al
 
图6铝锂合金晶界TEM图
 (a, c, d) 0%; (b) 10%; (d) 晶界T1相高分辨图; (a, b, d) 晶带轴为 <110>Al; (c) 晶带轴为 <112>Al
 

       3. 结论

       对经过不同预变形量处理的Al-3.95Cu-1.0Li-0.3Ag铝锂合金的微观组织和腐蚀行为进行了研究。基于相关实验数据,得到以下主要结论:
      (1) 预变形量的增加,θ'(Al2Cu)相的析出受到抑制,而T1(Al2CuLi)相体积分数增加、尺寸减小、弥散分布。并且T1相在面缺陷析出减少,晶界上由连续析出转变为不连续析出,导致PFZ宽度逐渐减小。
      (2) 预变形能够有效改善合金的耐腐蚀性,随着预变形程度的提高,合金的腐蚀电势增加,腐蚀电流减小。且随着预变形量增加,合金的腐蚀深度和腐蚀程度都相应减小。
 

参考文献

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