肖寶靚，曲鳳嬌，曹 陽(yáng)，尤 媛，張 東，陳 龍

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

7020鋁合金是一種Al-Zn-Mg系合金[1]，不僅具有較高的強(qiáng)度和良好的擠壓性能，且經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理后可獲得較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的焊接性能，是制作大型豪華汽車用大型薄壁高精度復(fù)雜實(shí)心和空心型材的主要合金，被廣泛應(yīng)用于航天航空、地鐵列車以及大型建筑等領(lǐng)域[2-3]。目前，7020鋁合金在服役過(guò)程中，應(yīng)力腐蝕(SCC)是導(dǎo)致其開(kāi)裂失效的主要原因之一[4]。研究表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理可以改善鋁合金的力學(xué)性能和腐蝕性能，過(guò)時(shí)效處理能夠提升鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能和抗剝落腐蝕性能，但是強(qiáng)度相比峰值時(shí)效狀態(tài)會(huì)有所下降，主要因?yàn)殇X合金材料的微觀組織決定了材料的宏觀性能，峰值時(shí)效鋁合金強(qiáng)度較高，時(shí)效強(qiáng)化相含量隨之提高，同時(shí)強(qiáng)化相在晶界富集，晶界斷裂成為材料斷裂的主導(dǎo)因素，最終導(dǎo)致鋁合金的應(yīng)力腐蝕抗性降低[5-7]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用料為我公司生產(chǎn)的7020鋁合金，其中棒坯采用半連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)，鑄造過(guò)程采用泡沫陶瓷過(guò)濾、Al-Ti-B細(xì)絲化晶粒，鑄棒經(jīng)均勻化處理消除晶內(nèi)偏析，然后使用125MN油壓雙動(dòng)臥式鋁擠壓機(jī)擠壓。其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.0985，F(xiàn)e 0.2030，Cu 0.1362，Mn 0.0610，Mg 1.2323，Zn 5.5071，Cr 0.0037，Al余量。

1.2 時(shí)效方案

本文主要對(duì)7020鋁合金進(jìn)行峰值時(shí)效及兩種過(guò)時(shí)效處理，時(shí)效制度見(jiàn)表1。

表1 7020鋁合金時(shí)效制度方案

1.3 性能測(cè)試

晶間腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7998-2005[8]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液由57g/L NaCl+10ml/L H2O2配制而成。試驗(yàn)前，將試樣浸入(1+9)氫氧化鈉溶液中10min，用水沖洗干凈后再浸入(3+7)的硝酸溶液中，以去除試樣表面的氧化膜層。試樣表面面積與試驗(yàn)溶液的體積之比不少于20mm2/ml，腐蝕溶液溫度為35℃，腐蝕時(shí)間為6h。腐蝕試驗(yàn)后在垂直主變形方向的一端切取5mm，按照ASTM E3[9]方法進(jìn)行金相試樣的制備，然后測(cè)量其晶間腐蝕最大深度。

剝落腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22639-2008[10]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液由234g/L NaCl+50g/L KNO3+6.3ml/HNO3配制而成。試樣的非試驗(yàn)面用防水膠帶保護(hù)，腐蝕溶液體積與試樣被浸表面面積之比為10ml/cm2～30ml/cm2，腐蝕溶液溫度25℃，腐蝕時(shí)間48h，然后在潮濕狀態(tài)下直接檢驗(yàn)試樣，評(píng)定腐蝕等級(jí)。

應(yīng)力腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22640-2008[11]進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕溶液為3.5%的NaCl溶液，腐蝕溶液體積和試樣面積比不少于30ml/cm2，且每?jī)尚瞧趯?duì)腐蝕試驗(yàn)溶液進(jìn)行更換。具體試驗(yàn)參數(shù)為，采用周期交替浸潤(rùn)法，溫度27℃，濕度(RH)45%，溶液pH值6.82，加載應(yīng)力400MPa，溶液浸泡時(shí)間10min，空氣暴露時(shí)間50min。試驗(yàn)時(shí)間為直至試樣出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)期間借助放大鏡觀察試樣表面，記錄試樣出現(xiàn)裂紋時(shí)間。

采用SSX-550型掃描電子顯微鏡7020鋁合金經(jīng)過(guò)不同時(shí)效處理之后的微觀組織形貌，并對(duì)第二相進(jìn)行EDS能譜分析。用AG-X 100KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和Sigmaterst 2.069型渦流電導(dǎo)儀對(duì)不同時(shí)效處理的7020鋁合金進(jìn)行常溫拉伸和電導(dǎo)率測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織狀態(tài)分析

圖1為7020鋁合金不同時(shí)效狀態(tài)下的SEM像，7020鋁合金經(jīng)過(guò)3種時(shí)效處理后，合金內(nèi)部均還有一定量的粗大未溶相或難溶相，且分布不均，部分地方分布比較集中。這些未溶相在基體中呈現(xiàn)帶狀、不連續(xù)分布，尺寸為1μm～5μm，大部分沿?cái)D壓方向呈條帶狀分布，沿著擠壓方向明顯被拉長(zhǎng)，并且條帶間有大量的細(xì)小彌散相粒子。

(a)T6；(b)T73；(c)T76圖1 7020鋁合金在不同時(shí)效處理下的SEM像Fig.1 SEM image of 7020 aluminum alloy under different aging treatment

對(duì)圖1中的位置“1”“2”和“3”分別進(jìn)行EDS能譜分析如圖2所示，各元素含量見(jiàn)表2。結(jié)果表明，7020鋁合金經(jīng)過(guò)不同時(shí)效處理之后，不規(guī)則形狀的第二相粒子成分主要含有Al、Zn和Mg，且Zn和Mg的原子比為1∶1，因此推斷出7020鋁合金含有大量的彌散相Al2Mg3Zn3(T相)。

(a)位置“1”；(b)位置“2”；(c)位置“3”圖2 7020鋁合金在不同時(shí)效處理下顯微區(qū)域的EDS能譜分析Fig.2 EDS energy spectrum analysis of micro area of 7020 aluminum alloy under different aging conditions

2.2 力學(xué)性能分析

表3為7020鋁合金經(jīng)過(guò)3種不同時(shí)效處理之后的力學(xué)性能和電導(dǎo)率。結(jié)果表明，T6峰值時(shí)效后，7020鋁合金的強(qiáng)度最高，電導(dǎo)率最低；經(jīng)過(guò)T73時(shí)效處理后，合金的強(qiáng)度最低，電導(dǎo)率最高；然而經(jīng)過(guò)T76時(shí)效處理后，不但合金的強(qiáng)度相對(duì)T6峰值時(shí)效下降較少，電導(dǎo)率也接近T73時(shí)效處理的。又由于電導(dǎo)率與合金抗腐蝕性能呈正相關(guān)關(guān)系，電導(dǎo)率值越大，其金屬的抗腐蝕性能越好，因此表明7020鋁合金經(jīng)過(guò)T76時(shí)效處理后其綜合性能較好。綜合分析表明，7020鋁合金的綜合性能與時(shí)效制度密切相關(guān)。

表2 7020鋁合金在不同時(shí)效處理下顯微 區(qū)域的元素含量結(jié)果(at.%)

表3 7020鋁合金不同時(shí)效處理后的力學(xué)性能和電導(dǎo)率

2.3 晶間腐蝕性能分析

圖3為不同時(shí)效狀態(tài)7020鋁合金經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn)后的截面金相組織圖，通過(guò)比較腐蝕坑的深度，對(duì)7020鋁合金抗晶間腐蝕性能的強(qiáng)弱進(jìn)行對(duì)比。

(a)T6；(b)T73；(c)T76圖3 不同時(shí)效狀態(tài)7020鋁合金的截面金相圖Fig.3 Metallographic cross-section of 7020 aluminum alloy at different aging states

結(jié)果表明，7020鋁合金在T6峰值時(shí)效狀態(tài)下的晶間腐蝕情況最嚴(yán)重，腐蝕坑深為73.4μm，經(jīng)過(guò)T73和T76時(shí)效狀態(tài)下的晶間腐蝕坑深比峰值時(shí)效狀態(tài)要淺，分別為49.65μm和56.67μm。金屬的晶間腐蝕程度與其抗晶間腐蝕性能正相關(guān)，即金屬的晶間腐蝕程度越嚴(yán)重，金屬的抗晶間腐蝕性能就越差。由此得知，7020鋁合金的抗晶間腐蝕性能隨時(shí)效制度由高到低依次為：T73>T76 >T6，與表3中電導(dǎo)率反映的情況一致。

2.4 剝落腐蝕性能分析

將試樣浸入剝落腐蝕溶液中，5min后開(kāi)始出現(xiàn)明顯的氣泡，氣泡的產(chǎn)生部位位于與主試驗(yàn)面垂直的面上，按照氣泡的產(chǎn)生速率排序?yàn)椋篢76>T73>T6，至48h腐蝕試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，腐蝕溶液上層漂浮一層腐蝕產(chǎn)物，評(píng)級(jí)后在硝酸中浸泡30s除去腐蝕產(chǎn)物。表4為不同時(shí)效7020鋁合金剝落腐蝕試驗(yàn)后的腐蝕評(píng)級(jí)結(jié)果，圖4為進(jìn)行48h剝落腐蝕試驗(yàn)后不同時(shí)效狀態(tài)試樣的表面宏觀腐蝕形貌，此時(shí)T6時(shí)效狀態(tài)試樣表面上已出現(xiàn)了大量翹起的片狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕程度為EA級(jí)。T73時(shí)效狀態(tài)試樣表面已全部變黑，有點(diǎn)蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，但是沒(méi)有連接成片，腐蝕程度為PA級(jí)。T76時(shí)效狀態(tài)下試樣表面發(fā)生大量的點(diǎn)蝕，且部分點(diǎn)蝕已擴(kuò)展連成更大的局部腐蝕區(qū)域，特別是試樣邊緣更加嚴(yán)重，甚至有部分點(diǎn)蝕已出現(xiàn)爆皮現(xiàn)象，腐蝕程度為PC級(jí)。綜上所述，7020鋁合金的抗剝落腐蝕性能與時(shí)效狀態(tài)密切相關(guān)，雙級(jí)時(shí)效可以提高7020鋁合金的抗剝落腐蝕性能，其抗剝落腐蝕性能由強(qiáng)到弱依次為：T73>T76>T6。這與時(shí)效制度對(duì)7020鋁合金抗晶間腐蝕性能的影響一致。

表4 不同時(shí)效7020鋁合金剝落腐蝕試驗(yàn)后的腐蝕等級(jí)

(a)T6；(b)T73；(c)T76圖4 不同時(shí)效狀態(tài)7020鋁合金剝落腐蝕表面宏觀形貌Fig.4 Macromorphology of exfoliation corrosion surface of 7020 aluminum alloy with different aging States

2.5 應(yīng)力腐蝕性能分析

根據(jù)時(shí)效后材料的力學(xué)強(qiáng)度，確定加載應(yīng)力的大小為400MPa，由加載公式(1)計(jì)算確定徑向壓縮量后，對(duì)試樣進(jìn)行加載，加載后在4h內(nèi)放置在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)箱中，每2d觀察試樣表面裂紋萌生狀況。

(1)

式中，△為C環(huán)的徑向壓縮量，mm；f為試驗(yàn)應(yīng)力，MPa；D為C環(huán)的中徑，mm；E為材料的彈性模量，MPa；t為C環(huán)的壁厚，mm；Z為彎曲梁修正系數(shù)。

圖5為應(yīng)力腐蝕裂紋的表面宏觀形貌，從腐蝕裂紋形貌中看到，主要裂紋比較平直，還有一些細(xì)小的裂紋與主裂紋接近平行，都是沿著C型環(huán)的寬度方向，并有間斷的現(xiàn)象產(chǎn)生，主要因?yàn)镃型環(huán)應(yīng)力腐蝕試樣受到的應(yīng)力主要是周向應(yīng)力，應(yīng)力大小沿著厚度方向梯度變化，在周向方向上從螺孔的零值到圓弧中央的最大值；另一個(gè)特點(diǎn)是在橫向上，從中部位置到寬度兩側(cè)的應(yīng)力大小變化是從最大值下降為零。因此對(duì)于C型環(huán)承載最大應(yīng)力的區(qū)域較小，內(nèi)部裂紋的萌生，通常在靠近中間點(diǎn)位置沿寬度方向發(fā)展。

(a)T6；(b)T73；(c)T76圖5 7020鋁合金C型環(huán)試樣腐蝕裂紋形貌Fig.5 Corrosion crack morphology of 7020 aluminum alloy C-ring specimen

表5為試樣出現(xiàn)裂紋的試驗(yàn)時(shí)間，說(shuō)明7020經(jīng)過(guò)T6時(shí)效處理后的應(yīng)力腐蝕敏感性最大，T76次之，T73最小，與時(shí)效制度對(duì)晶間腐蝕、剝落腐蝕性能的影響一致。

表5 不同時(shí)效處理7020鋁合金試樣開(kāi)始出現(xiàn)裂紋時(shí)間

3 結(jié)論

(1)7020鋁合金擠壓型材經(jīng)過(guò)不同時(shí)效處理后能夠觀察到不規(guī)則形狀的第二相粒子，尺寸為1μm～5μm，大部分沿?cái)D壓方向呈條帶狀分布，沿著擠壓方向明顯被拉長(zhǎng)，并且條帶間有大量的細(xì)小彌散第二相粒子；對(duì)該第二相進(jìn)行EDS能譜分析證明，第二相成分主要含有Al、Zn和Mg，并且Zn和Mg的原子比為1∶1，推斷出7020鋁合金含有大量的彌散相Al2Mg3Zn3(T相)。

(2)7020鋁合金經(jīng)過(guò)T6峰值時(shí)效處理后可以獲得較高的強(qiáng)度，T73時(shí)效處理電導(dǎo)率較大，可以獲得較優(yōu)良的抗腐蝕性能；經(jīng)過(guò)T76時(shí)效處理，不僅強(qiáng)度相比T6時(shí)效下降較少，而且電導(dǎo)率也比較接近T73時(shí)效，因此7020鋁合金經(jīng)過(guò)T76時(shí)效后的綜合性能較好。

(3)7020鋁合金的抗晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能均與時(shí)效工藝密切相關(guān)，并且晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕的敏感性具有很好的一致性，其敏感性由低到高依次為：T73、T76、T6。