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稀有金属2016年第8期

固溶—大变形—时效下7085铝合金的晶间腐蚀和剥落腐蚀

陈洋 许晓静 陆文俊 王子路 徐驰 张景玉

江苏大学先进制造与现代装备技术工程研究院

摘 要：

以7085铝合金(Al-7.48Zn-1.51Mg-1.42Cu-0.15Zr)为试验对象,通过使用光学显微镜(OM)、电子背散射衍射系统(EBSD)研究了固溶—大变形—时效工艺下7085铝合金的微观组织与抗腐蚀性能的影响。研究表明:相比于常规固溶—时效工艺,固溶—大变形—时效工艺是调控7085铝合金组织与性能的有效手段,它能够显著细化晶粒,增加小角度晶界数量,位错密度上升,同时还可以提高7085铝合金的抗腐蚀性能(晶间腐蚀、剥落腐蚀)。相比于压缩变形加工,等通道转角挤压(ECAP)加工由于可以降低织构和更为有效的细化合金组织,其提高合金性能的能力更强。100℃时效下合金的抗腐蚀性能排序为:固溶—ECAP—时效(晶间腐蚀二级,剥落腐蚀PC)>固溶—压缩变形—时效(三级,EA)>固溶—时效(四级,EB+)。

关键词：

7085铝合金;固溶—大变形—时效;微观组织;抗腐蚀性能;

中图分类号： TG146.21;TG166.3

作者简介：陈洋(1990-),男,江苏盐城人,硕士研究生,研究方向:先进材料制造;E-mail:15262904017@163.com;;许晓静,教授;电话:13952877885;E-mail:xjxu67@ujs.edu.cn;

收稿日期：2015-03-17

基金：国家自然科学基金项目(51074079);江苏省高校科研成果产业化推进项目(JH10-37);江苏大学“拔尖人才培养工程基金”(1211110001);江苏大学研究生科研创新计划项目(KYXX_0031)资助;江苏省2014年度普通高校研究生实践创新计划项目(SJLX_0460);

Intergranular Corrosion and Exfoliation Corrosion of 7085 Aluminum Alloy under Solution-Large Deformation-Aging

Chen Yang Xu Xiaojing Lu Wenjun Wang Zilu Xu Chi Zhang Jingyu

Engineering Institute of Advanced Manufacturing and Modern Equipment Technology,Jiangsu University

Abstract：

The microstructure and corrosion resistance of 7085 aluminum alloy( Al-7. 48Zn-1. 51Mg-1. 42Cu-0. 15Zr) under solution-large deformation-aging treatment were studied by optical microscope( OM) and electron backscattered diffraction( EBSD). The results showed that,compared with conventional solution-aging treatment,the solution-large deformation-aging treatment was an effective method to control the microstructure and properties of 7085 aluminum alloy,it could significantly refine grain size,increase the number of low angle grain boundary,promote dislocation density,and advance corrosion resistance( intercrystalline corrosion,exfoliation corrosion). In comparison to compression,equal channel angular pressing( ECAP) could reduce texture and refine the structure more effectively,so ECAP had a stronger ability to improve the alloy properties. When the aging temperature was 100 ℃,the order of corrosion resistance properties was as follows: solution-ECAP-aging( intergranular corrosion secondary level,exfoliation corrosion PC) > solution-compression-aging( third level,EA) > solution-aging( fourth level,EB +).

Keyword：

7085 aluminum alloy; solution-large deformation-aging treatment; microstructure; corrosion resistance;

Received： 2015-03-17

我国高强铝合金的发展已经历了五代,诞生了以7075,7475,7150,7055,7085为代表的五代合金,与国外先进铝合金相比,国产先进铝合金存在着明显差距,无法满足最新一代航空航天飞行器轻量化要求,而且最新一代航空飞行器装备的发展也对高强铝合金提出了更高要求。众所周知,铝合金作为一种典型的轻量化材料具有一系列优良特性,如密度小(仅为钢铁材料的1/3左右)、比强度高、抗冲击性能好、导电和导热性能好、易于成型和回收利用率高等 ^[1,2,3] 。

等通道转角挤压(ECAP)是Segal等 ^[4,5] 科学家提出的一种强烈塑性变形方法。相比于传统塑性变形方法,ECAP挤压后的材料致密、内部缺陷少、加工对象形状和尺寸无明显变化,最为重要的是,ECAP产生的近似纯剪切变形可以获得比传统塑性变形方法更大的变形量。在研究初期,ECAP加工对象材料主要有2024Al合金,它将形变强化、时效强化和结构细化强化三者有机组合,首次证明,固溶处理+室温ECAP+时效是提升常规高强铝合金的强度、制取超高强铝合金的一条有效途径 ^[6] 。研究这种材料的主要目的是通过ECAP加工改善材料微观组织,提高材料的力学性能 ^[7,8] ;随着航空航天和军事装备领域对材料性能的要求越来越高,部分学者 ^[9,10] 开始将ECAP的加工对象扩大至7085材料,在采用多种强化机制提高材料性能的过程中,各强化机制之间会发生复杂的相互影响,金属材料的微观组织结构在很大程度上决定了其力学性能,对材料微观组织结构的研究是提高材料性能和开发新型合金的必要条件 ^[11,12,13] 。

在此,本文以挤压态7085铝合金为实验材料,研究了固溶—大变形加工对7085铝合金的显微组织、晶间腐蚀和剥落腐蚀性能的影响。

1 实验

实验所用材料为7085铝合金,实测化学成分为Al-7.48Zn-1.51Mg-1.42Cu-0.15Zr(%,质量分数)。采用固溶—大变形加工(室温)—人工时效工艺制备高强7085铝合金,其中大变形加工分为压缩变形和ECAP两种。

压缩试样尺寸为12 mm×12 mm×30 mm,ECAP试样为Φ(19.5±0.1)mm×85 mm的棒料,压缩变形的压下率约为50%,DEFORM-3D仿真得到ECAP加工的有效应变约为0.6,试样经二次固溶(450℃×1 h+460℃×1 h+470℃×1 h,470℃×1 h)后,在2 h内进行室温ECAP和压缩变形加工,防止材料因自然时效而在大变形加工过程中开裂。所有试样经室温自然时效72 h以上后再进行人工时效,时效工艺为100℃×24 h。所用ECAP模具为凹模,通道直径为Φ20 mm,两通道间夹角Φ为110°,两通道相贯处的内侧圆弧半径R为8 mm,外圆弧曲率角ψ为24°。为了减少试样与模具通道内壁间的摩擦,每次挤压之前在模具内壁和试样上均匀涂抹一层Mo S₂润滑剂。图1所示为压缩和ECAP大变形加工后实物照片。

金相试样经磨平、抛光后,使用丙酮和乙醇清洗以备用;腐蚀试剂一般都会选用Graff Sargent试剂(1 ml HF+16 ml HNO₃+3 g Cr O₃+83 ml去离子水),腐蚀时间40~60 s;用乙醇洗去试样表面的腐蚀产物,通过Leica DM2500M金相显微镜(OM)观察合金微观组织结构。晶间腐蚀试验参照GB 7998-2005标准进行 ^[14] 。试验步骤如下:(1)用丙酮擦净铝合金试样表面,将试样浸入10%(质量分数)的氢氧化钠溶液10 min;(2)取出试样用水洗净,再次浸入30%(质量分数)的硝酸溶液直至表面光洁;(3)将试样用塑料绳垂直悬挂于晶间腐蚀液中(Na Cl 57 g·L^-1+H₂O₂10 ml·L^-1)中,面容比约为10 mm²·ml^-1,试验过程在恒温干燥箱中进行,温度控制在35℃(±2℃),试验时间6 h;(4)取出腐蚀试样用水冲洗并吹干,镶嵌抛光后,采用光学显微镜观察与主试验面垂直的截面,测定晶间腐蚀的最大深度。参照GB/T 22639-2008标准 ^[15] 实施剥落腐蚀(EXCO)试验,每升剥落腐蚀溶液中含有4.0 mol Na Cl,0.5 mol KNO₃和0.1 mol HNO₃。试验过程中,主试验面朝上,腐蚀介质体积与主试验面面积之比为20 mm²·ml^-1,试验温度恒定为25℃(±2℃),试验时间48 h,使用超景深光学显微镜观察剥落腐蚀试样的宏观形貌。

图1 压缩和ECAP加工后的实物照片Fig.1 Photos of specimens after compression deformation(a)and ECAP(b)

2 结果与讨论

2.1 金相组织

图2所示为固溶—时效和固溶—大变形(压缩、ECAP)—时效状态下7085铝合金的微观组织金相照片,从图2(a)可以看出,固溶—时效状态下合金的晶粒沿挤压方向被拉长(试验材料为挤压棒材),晶粒尺寸较大。从图2(b)可以看出,固溶—压缩变形—时效状态下的合金内部存在弧状变形带。从图2(c)可以看出,固溶—ECAP—时效状态下的合金具有明显的剪切变形特征,剪切变形带沿45°方向,同时,晶粒也沿着该方向被拉长。

2.2 电子背散射衍射(EBSD)系统分析

图3为固溶—时效和固溶—大变形(压缩、ECAP)—时效状态下7085铝合金的EBSD晶体取向分布图。表1为EBSD分析计算得到的平均晶粒尺寸(L(μm))、低角度晶界的百分比(1-f)、低角度晶界的角度平均值(θ_LAGB(°))。该状态下晶粒之间取向差明显,但在粗大晶粒之间可见沿挤压方向的带状细晶区域,这些细小晶粒之间没有明显的取向差,EBSD结果说明,固溶—时效态7085铝合金内部大角度晶界数量较多,仅在少数区域存在挤压过程中产生的亚晶。从图3(b)可以看出,在塑性变形作用下,原始粗大晶粒内部产生大量具有小角度晶界的亚晶,这些亚晶的取向仍然与原始晶粒一致,因此,这些亚晶还不是真正意义上的完整晶体。从图3(c)可以看出,ECAP加工后的合金内部亚晶数量多且分布均匀,在局部区域出现取向差明显的细小晶粒(图中左上角箭头所示)。ECAP的变形量比压缩变形更大。从表1可以看出,固溶—时效态7085铝合金的晶粒较为粗大,合金内部以大角度晶界为主;大变形加工后,7085铝合金的晶粒尺寸和晶界角度显著减小,压缩变形和ECAP加工后小角度晶界的比例分别达到82.14%和99.43%。此外,ECAP加工后7085铝合金的晶界角度平均值小于压缩变形后的合金,晶粒尺寸也更为细小,说明ECAP加工在细化晶粒方面的作用高于压缩变形。

图2 7085铝合金的金相照片Fig.2 OM images of 7085 aluminum alloy

(a)Solution-aging;(b)Solution-compression-aging;(c)Solution-ECAP-aging

图3 7085铝合金的EBSD晶体取向分布图Fig.3 EBSD crystal orientation map of 7085 aluminum alloy

(a)Solution-aging;(b)Solution-compression-aging;(c)Solution-ECAP-aging

表1 EBSD定量计算得到的平均晶粒尺寸、大角度晶界比例、大及小角度晶界角度平均值Table 1 Average grain size,percentage of high angle grain boundary and average angle value from quantitative calculation of EBSD  下载原图

Note:LAGB:low angle grain boundary;HAGB:high angle grain boundary;TAGB:total angle grain boundary

表1 EBSD定量计算得到的平均晶粒尺寸、大角度晶界比例、大及小角度晶界角度平均值Table 1 Average grain size,percentage of high angle grain boundary and average angle value from quantitative calculation of EBSD

2.3 抗晶间抗腐蚀性能

从图4可以看出,固溶—时效态7085铝合金的腐蚀形貌呈现典型的晶间腐蚀特征,腐蚀过程分为两个阶段:首先,试验表面出现点蚀,点蚀沿垂直方向深入形成点蚀孔,随后,腐蚀介质从点蚀孔的尖端开始沿着晶界不断向基体内部扩展,100℃时效下的最大腐蚀深度达到186.84μm,根据GB 7998-2005标准,晶间腐蚀等级为四级;大变形加工后的合金最大腐蚀深度明显减小,从金相照片中难以看到固溶—大变形—时效状态下的连续晶界,其腐蚀形貌不再是沿着晶界向基体深处扩展,而是均匀地腐蚀基体,且都具有横向(平行于试验表面)扩展的趋势,其中,ECAP加工后的合金抗晶间腐蚀性能尤为突出,压缩和ECAP后合金的晶间腐蚀等级分别为三级和二级。

2.4 抗剥落腐蚀性能

如图5所示为7085铝合金剥落腐蚀的宏观形貌。可以看出:固溶—时效态合金腐蚀最严重,表面大面积开裂、分层,并穿入到合金深处,表面腐蚀产物较多,100℃时效后的剥落腐蚀等级为EB+。固溶—压缩变形—时效状态下的合金表面腐蚀程度明显减小,但出现起皮现象,面积约占总面积的40%,未出现起皮现象的部分仍呈现金属光泽,100℃时效状态下的起皮区域为带状,这是因为剥落腐蚀的扩展遵循应力腐蚀机制,最容易沿着织构等定向纤维组织发展,100℃时效后的剥落腐蚀等级分别为EA;ECAP加工后的合金剥落腐蚀性能最佳,只有轻微的起皮和脱色现象,100℃时效下的剥落腐蚀等级达到PC ^[15] 。

图4 7085铝合金的晶间腐蚀形貌Fig.4 OM images of intergranular corrosion morphology of 7085 aluminum alloy

(a)Solution-aging;(b)Solution-compression-aging;(c)Solution-ECAP-aging

图5 7085铝合金的剥落腐蚀形貌Fig.5 Exfoliation corrosion morphology of 7085 aluminum alloy

(a)Solution-aging;(b)Solution-compression-aging;(c)Solution-ECAP-aging

3 结论

主要研究了固溶—大变形(压缩、ECAP)—人工时效(100℃×24 h)状态下7085铝合金的微观组织和抗腐蚀性能,并与固溶—人工时效工艺进行对比。通过对不同工艺路线下合金的金相组织、EBSD、晶间腐蚀和剥落腐蚀的分析,可以得到如下结论:

1.压缩变形和ECAP挤压后合金内部分别出现弧形变形带和45°方向的剪切带,合金内部出现大量具有小角度晶界的亚晶,位错密度上升,其中,ECAP对晶粒的细化作用比压缩变形更加明显。

2.固溶—大变形—时效状态下7085铝合金的晶间腐蚀性能优于固溶—时效状态下的合金,按评价等级进行排序为:ECAP(二级)>压缩变形(三级)>未大变形加工(四级)。

3.固溶—大变形—时效状态下7085铝合金的剥落腐蚀性能提高,特别是ECAP大变形加工能够显著降低合金内部的织构强度,剥落腐蚀性能达到PC级。

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