DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.06.025
SiCp /2024Al铝基复合材料的耐蚀性
贺春林 李凤琴 刘常升 史志明 毕敬 才庆魁
东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,中国科学院金属研究所,中国科学院金属研究所,东北大学材料与冶金学院 沈阳110004,沈阳110004,沈阳110004,沈阳110016
中国科学院金属腐蚀与防护国家重点实验室,沈阳110016,沈阳110016,沈阳11
摘 要：
用电化学方法和浸泡试验研究了SiC颗粒粒度和体积分数对SiCp/ 2 0 2 4Al铝基复合材料在 3.5 %NaCl水溶液中耐蚀性的影响 , 作为比较对 2 0 2 4Al的耐蚀性也进行了研究。结果表明 , 与基体相比 , SiCp/ 2 0 2 4Al复合材料并不增加点蚀敏感性 , 其抗蚀性与SiC体积分数和粒度有关 , SiC颗粒体积分数低或粒度高的复合材料 , 其抗蚀性往往大。
关键词：
铝基复合材料 ;极化曲线 ;电化学阻抗谱 ;耐蚀性 ;
中图分类号： TB331
收稿日期： 2001-01-16
基金： 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( 970 14 5 17); 金属腐蚀与防护国家重点实验室资助项目; 国家自然科学基金资助项目 ( 5 9972 0 0 4);
Corrosion properties of SiCp /2024Al matrix composites
Abstract：
The influences of volume fraction and particle size of SiC particulate reinforcements on the corrosion characteristics of SiC p/2024 Al matrix composites in 3.5%NaCl (mass fraction) aqueous solution were investigated with electrochemical method and immersion test; the corrosion resistance of 2024Al was also investigated for comparison. The results show that pitting susceptibility is about the same for the MMCs and their alloy. The corrosion resistance for the MMCs decreases, as the volume fraction increases or particle size reduces.
Keyword：
aluminum matrix composite; polarization curves; electrochemical impedance spectroscopy; corrosion resistance;
Received： 2001-01-16
颗粒增强铝基复合材料 (Al MMCs) 由于具有比强度高、 比刚度高、 耐磨蚀、 价格低等优点, 因此在航空航天、 汽车工业等领域有着广阔的应用前景。 多年来, 人们一直致力于其力学性能及制备工艺的研究, 相对而言, 对其耐蚀性的研究则要少得多; 而在这有限的文献中, 有些结论又相互矛盾。 这主要是由于有许多因素影响MMCs的耐蚀性, 包括孔隙
[1 ]
、 杂质相的析出
[2 ]
、 颗粒/基体界面处的高密度位错
[3 ]
、 界面反应产物
[4 ]
、 增强相的种类大小及含量
[5 ,6 ,7 ]
和基体的成分
[8 ]
。 通常, SiC/Al MMCs在含氯离子水溶液中的腐蚀速度比相应的Al基体要快些。 腐蚀的形式主要是SiC与Al间的电偶腐蚀以及界面腐蚀产物Al4 C3 的水解
[9 ]
。 研究表明, SiC对6061Al
[8 ,10 ]
, 5456Al
[8 ]
, Al-7.5%Si-1%Mg
[11 ]
及Al-2%Ni
[7 ]
等体系SiC/Al MMCs的点蚀电位 (φ pit ) 几乎没有影响, 但对2024Al MMCs φ pit 的影响却有不同的报道
[8 ,12 ,13 ]
。 SiC颗粒粒度的减少或体积分数的增加会使SiCp /Al 间的界面增加, 因而使Al MMCs 的耐蚀性下降
[6 ,7 ]
, 但也有不尽相同的报道
[11 ]
。 因此, 有必要就增强相对Al MMCs 耐蚀性的影响问题进行深入研究。
作者采用动电位阳极极化、 交流阻抗技术和浸泡法, 详细研究增强相的颗粒粒度、 体积分数对SiCp /2024Al MMCs 耐蚀性的影响。
1 实验材料与方法
SiCp /2024Al MMCs用粉末冶金方法制备。 基体合金为100 μm的2024Al合金粉末, 平均化学成分为3.8%Cu, 1.5%Mg, 0.4%Mn, 余为Al。 增强相SiC颗粒的平均尺寸分别为3.5, 10和20 μm, 体积分数分别为7%, 15%和30%。 采用机械方法将上述粉末充分混合后, 经冷压、 除气处理、 580 ℃真空热压成型、 450 ℃挤压成棒材, 挤压比为20∶1。 对比用的2024Al为同成分的铸材。
电化学测试的溶液由分析纯级NaCl和蒸馏水配制, 浓度为3.5%, 温度为20 ℃, 溶液暴于空气中。 测试仪器为SI1250锁相放大器和M273恒电位仪, 参比电极为饱和甘汞电极 (SCE) , 辅助电极为石墨。 在电化学测试之前, 样品先浸于NaCl溶液中约1h以使开路电位达到稳定。 动电位极化曲线测试时的扫描速度为0.166 mV/s, 交流阻抗测试时的外加激励信号幅值为10 mV, 频率范围为100 kHz～5 mHz。 试样由环氧树脂密封, 研磨至3.5 μm, 测试面积约为0.6 cm2 ; 为防止裂缝腐蚀, 试样与环氧树脂间用石蜡密封。 测试3个平行试样, 以保证数据的重现性。 浸泡试验样品磨至600# 砂纸, 浸泡面积约为1.5 cm2 , 试验条件与电化学的相同。 用精度为0.1 mg的分析天平测量浸泡不同时间的试样, 若假设腐蚀产物为氢氧化铝, 则可用腐蚀增重来表示材料的耐蚀性能
[6 ,7 ]
。 这里的失重为3个样品的平均值。
2 结果与讨论
2024Al 和不同体积分数的SiCp /2024Al在3.5%NaCl水溶液中的典型动电位阳极极化曲线示于图1, 由于图1中点蚀电位 (φ pit ) 和腐蚀电位 (φ corr ) 非常接近, 而难于区分, 因此根据在φ pit 处电流的连续增加以及极化测试中肉眼观察试样表面的变化来确定φ pit 值。 表1所列为计算出的φ pit 和φ corr 值及二者的差值。 从图1和表1可以看出, MMCs与基体金属的φ pit 非常接近, 与SiC的含量无关, 也与MMCs的制造工艺无关
[8 ]
, 这表明SiC相的存在并不影响MMCs的点蚀敏感性, 这与文献
[
12 ]
报道的结果一致。 但文献
[
8 ,
13 ]
认为, SiCp /2024Al MMCs比相应合金的φ pit 负移0.1 V。 φ pit 与φ corr 的差值大小可用来表示表面钝化膜耐局部腐蚀的能力。 从图1和表1看出, SiC体积分数增加, MMCs耐局部腐蚀的能力降低。 这是由于SiC增加了作为阴极点的Al2 Cu的沉积所致
[9 ]
。 从图1也可看出, SiC体积分数高的MMCs, 其耐蚀性更差些。 通常, 相同工艺制造的基体金属要比相应SiCp /Al MMCs的腐蚀速度低
[7 ]
。 与粉末冶金工艺相比, 铸造易使合金元素偏析及结构不均, 因而影响材料的腐蚀行为; 另外对本研究所用SiCp /Al MMCs而言, 20∶1的挤压比可进一步增加SiCp /Al MMCs的均匀性, 降低基体的孔隙率以及夹杂相的尺寸
[1 ]
, 因此可明显改善MMCs的抗蚀性, 所以2024Al比MMCs (30%
p /2024Al
) 的耐蚀性稍差些 (图1) 。
表1 从极化曲线计算出的有关电化学参数
Table 1 Electrochemical parameters from polarization curves of MMCs in 3.5%NaCl
Size of
V p /%φ corr φ pit (φ pit -φ corr )
3.5
0
-0.777
-0.693
0.084
3.5
7
-0.873
-0.691
0.182
3.5
30
-0.695
-0.676
0.019
10
15
-0.695
-0.653
0.042
20
15
-0.778
-0.665
0.113
图2所示为SiC体积分数均为15%而粒度分别为10 μm和20 μm的SiCp /2024Al在3.5%NaCl水溶液中的典型极化曲线。 由图2和表1看出, SiC粒度对MMCs的φ pit 没有影响, 但对MMCs的腐蚀速度有影响。 当电位高于φ pit 时, 10 μm SiCp /2024Al MMC 的腐蚀速度要明显高于20 μm SiCp /2024Al MMC的。 从表1也可看出, 20 μm SiC增强的MMC的耐局部腐蚀性能比10 μm的更好些。 增加粒度可降低SiC的表面分数, 同降低体积分数一样, 可增加MMCs的耐蚀性。
图1 SiC体积分数对SiCp/2024Al MMCs极化曲线的影响
Fig.1 Potentiodynamic polarization curves for MMCs as a function of volume fraction of SiC particulate in 3.5%NaCl
图2 SiC粒度对SiCp/2024Al MMCs阳极极化曲线的影响
Fig.2 Potentiodynamic polarization curves for MMCs as a function of particle size of SiC in 3.5%NaCl
图3和图4分别示出了SiC体积分数和粒度对SiCp /2024Al MMCs在3.5% NaCl 中阻抗谱的影响。 该阻抗谱由明显不同的3个部分组成, 在高频区 (>10 Hz) , 电极行为由双电层电容控制, 阻抗-频率图中曲线的斜率为-1, 表明这是个纯粹的电容行为。 在中间频率区 (0.05～5 Hz) , 曲线趋于极大值R p , 此值的大小与材料的耐腐蚀性能对应
[8 ]
。 从图3可看出, 高体积分数的MMCs之R p 小, 这与图1的结论一致。 从图4中看出, SiC粒度大的MMCs, 其R p 也大, 这与图2之结论一致。 在低频区 (<0.05 Hz) , 电极行为由电感控制。 这种明显的电感行为是因MMCs表面之Al2 O3 层的击穿和再钝化所引起的电流波动所致
[8 ]
。 在低频测量时发现, MMCs的表面有点蚀现象发生 (图3和图4) 。
图3 SiC体积分数对SiCp/2024Al MMCs阻抗谱的影响
Fig.3 Plots for MMCs as a function of volumefraction of SiC particulates in 3.5%NaCl
图4 SiC粒度对SiCp/2024Al MMCs阻抗谱的影响
Fig.4 Plots for MMCs as a function of particle sizes of SiC particulates in 3.5% NaCl
图5为各种材料在3.5% NaCl中浸泡不同时间的腐蚀增量。 从图中可看出, 在浸泡的前15 d, SiC粒度小和体积分数高的MMCs表现出更高的腐蚀速度, 这与电化学测试的结果相一致 (见图2～4) 。 但随着浸泡时间的增加, 各种MMCs的腐蚀增量逐渐接近。 这是由于腐蚀产物沉积在MMCs的表面, 阻碍了离子的扩散过程, 降低了腐蚀活性点的数量。 不过, 在浸泡15 d之后, MMCs比其合金的腐蚀增量都高。 造成MMCs加速腐蚀的主要原因是SiC与Al间的电偶腐蚀以及界面反应产物Al4 C3 的水解作用
[9 ]
。
图5 SiCp/2024Al MMCs腐蚀增量随浸泡时间的变化
Fig.5 Corrosion behavior of MMCs as a function of immersion time in 3.5% NaCl
3 结论
1) SiC的加入并不影响SiCp /2024Al MMCs的点蚀敏感性。
2) SiCp /2024Al MMCs的抗蚀性与SiC体积分数和粒度有关, SiC体积分数低或粒度高的MMCs, 其抗蚀性往往大。
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