曲鳳嬌，肖寶靚，曹 陽，尤 媛，張 東

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口115000)

2024鋁合金是屬于Al-Cu系高強硬鋁合金，是一種可熱處理強化型鋁合金，具有優(yōu)良的強度、硬度以及抗疲勞性能，主要應(yīng)用于航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]。2024鋁合金的主要元素為Cu，Cu能夠使鋁合金的腐蝕電位正移，導(dǎo)致鋁合金的耐蝕性下降，尤其在熱處理不當(dāng)時，2024鋁合金會產(chǎn)生嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象，例如晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕等，這種局部腐蝕會對鋁合金結(jié)構(gòu)件造成巨大的破壞[2,3]。本文通過對2024鋁合金進行固溶和人工時效處理來獲取不同時效狀態(tài)的樣品，然后采用SEM掃描電鏡和腐蝕試驗研究2024鋁合金的顯微組織、腐蝕性能及腐蝕形貌，分析時效處理和腐蝕性能的相關(guān)性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣品為2024鋁合金擠壓型材，通過ARL-4460型直讀光譜儀對其成分進行定性分析，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)結(jié)果為，Cu 4.348，Si 0.102，F(xiàn)e 0.147，Mn 0.573，Mg 1.498，Ti 0.016，Zn 0.153，Cr 0.007，Al 93.132。

1.2 性能測試

晶間腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7998-2005[4]進行試驗，腐蝕溶液由57g/L NaCl+10ml/L H2O2配制而成。試驗前，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溶液的體積之比不少于20mm2/ml，腐蝕溶液溫度為35℃，腐蝕時間為6h。腐蝕試驗后在垂直主變形方向的一端切取5mm，按照ASTM E3[5]方法進行金相試樣的制備，然后測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[6]進行試驗，腐蝕溶液由234g/L NaCl+50g/L KNO3+6.3ml/LHNO3配制而成。試樣的非試驗面使用防水膠帶保護，腐蝕溶液體積與試樣被浸表面面積之比在10ml/cm2～30ml/cm2之間，腐蝕溶液溫度為25℃，腐蝕時間為96h，然后在潮濕狀態(tài)下直接檢驗試樣，評定腐蝕等級。

應(yīng)力腐蝕依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22640-2008[7]進行試驗，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，并且每兩星期對腐蝕試驗溶液進行更換；具體試驗參數(shù)為，試驗方法為周期交替浸潤法，溫度27℃，濕度(RH)45%，溶液pH值6.82，溶液浸泡時間10min，空氣暴露時間50min，試驗總時間20d；試驗時間為直至試樣出現(xiàn)裂紋，試驗期間借助放大鏡觀察試樣表面，記錄試樣出現(xiàn)裂紋時間。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 硬度測試

圖1是2024鋁合金在時效溫度為190℃時，不同時效時間與硬度的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著時效時間的增加，合金快速硬化，在4h達到峰值，硬度為159HV，隨著時效時間的繼續(xù)延長，合金硬度開始逐漸下降。綜上所述，本試驗選擇2024鋁合金欠時效為190℃×2h、峰時效為190℃×4h、過時效為190℃×14h。

2.2 微觀形貌分析

圖2(a)為2024鋁合金經(jīng)過峰時效處理之后的SEM像，結(jié)果顯示2024鋁合金表面上的第二相顆粒呈不規(guī)則形狀，且分布不均，其尺寸在幾微米左右；對位置“1”進行EDS能譜分析(圖2(b))，發(fā)現(xiàn)該顆粒含有Al、Mg、Cu、Si、Fe、Mn等，表明該顆粒主要是Al12(FeMn)3Si[8]，也有人認為該大顆粒為AlCuFeMnSi[9]。此外，合金中還含有大量的彌散相Al20Cu2Mn3(T相)以及時效析出強化相Al2Cu(θ)和Al2CuMg(S相)[10]。

2.2 晶間腐蝕試驗

圖3為2024鋁合金按照GB/T 7998-2005標(biāo)準(zhǔn)進行晶間腐蝕試驗后，試樣的斷面形貌。由圖可知，欠時效試樣的最大腐蝕深度最深，達到213.19μm；峰時效試樣最大腐蝕深度居中，為174.34μm；過時效試樣最大腐蝕深度最淺，為146.26μm。結(jié)果表明，時效處理能夠改善2024鋁合金的晶間腐蝕敏感性，欠時效狀態(tài)下試樣的晶間腐蝕敏感性最大，峰時效次之，過時效最小，主要是因為欠時效狀態(tài)下，晶界上具有較寬的無沉淀帶，且析出粗大的沉淀相，而峰時效和過時效狀態(tài)下的無沉淀帶相對較窄，以及在晶界上析出較小和均勻分布的第二相粒子[11]。

2.3 剝落腐蝕試驗

圖4為2024鋁合金剝落腐蝕試驗后的表面宏觀形貌。結(jié)果顯示，欠時效試樣表面呈嚴(yán)重點蝕，出現(xiàn)爆皮現(xiàn)象，且已經(jīng)輕微的深入基體表面，腐蝕程度為PC級；峰時效試樣表面有大量翹起的片狀產(chǎn)物，表面有明顯的起層現(xiàn)象，腐蝕程度為EA級；過時效試樣表面僅出現(xiàn)輕微的點蝕現(xiàn)象，腐蝕程度為PA級。綜上所述，2024鋁合金的剝落腐蝕敏感性與時效狀態(tài)密切相關(guān)，其剝落腐蝕敏感性由高到低依次為：峰時效>欠時效>過時效。主要是因為剝落腐蝕由晶間腐蝕和內(nèi)應(yīng)力協(xié)同作用下產(chǎn)生的腐蝕過程，腐蝕發(fā)展到一定程度，由于不溶性腐蝕產(chǎn)物大于所消耗的金屬體積從而產(chǎn)生“楔入效應(yīng)”，導(dǎo)致金屬表面剝落。峰時效處理后的合金在晶界析出的強化相比欠時效處理的數(shù)量多，不溶性腐蝕產(chǎn)物增多，從而導(dǎo)致剝落腐蝕比較嚴(yán)重[12]。

2.4 應(yīng)力腐蝕試驗

按照GB/T 22640-2008標(biāo)準(zhǔn)對2024鋁合金進行恒應(yīng)變C型環(huán)應(yīng)力腐蝕試驗，加載應(yīng)力的大小為240MPa，由加載公式(1)計算確定徑向壓縮量后，對試樣進行加載，加載后在4h內(nèi)放置在應(yīng)力腐蝕試驗箱中，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2024鋁合金應(yīng)力腐蝕試驗后表面宏觀形貌。從腐蝕裂紋形貌中看到，欠時效試樣表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且裂紋呈斷斷續(xù)續(xù)、不規(guī)則形狀的曲線；峰時效試樣表面有大量點蝕坑存在，且點蝕坑已經(jīng)連接一起，形成裂紋萌生源；過時效試樣表面僅有點蝕現(xiàn)象，但是無裂紋萌生現(xiàn)象。結(jié)果表明，恒應(yīng)變下2024鋁合金C型環(huán)試樣在裂紋萌生前期主要以點蝕成核為主，并隨時間延長，點蝕坑逐漸增多、長大，形成裂紋萌生源，然后裂紋產(chǎn)生。2024鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性順序為，欠時效最敏感、峰時效次之、過時效不敏感。

3 結(jié)論

(1)2024鋁合金表面粗大第二相顆粒可能為Al12(FeMn)3Si或者AlCuFeMnSi，該大顆粒與Al基體構(gòu)成腐蝕原電池，引起腐蝕現(xiàn)象；

(2)時效處理對2024鋁合金腐蝕性能影響較大，其中對晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性影響順序一致，由高到低為：欠時效>峰時效>過時效，主要是因為欠時效處理后的合金晶界呈連續(xù)分布的S相，形成連續(xù)的腐蝕通道，造成較嚴(yán)重的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，而峰時效處理后合金析出大量的彌散相和析出相S相，且呈不連續(xù)分布的S相，晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕相對較輕[13]；剝落腐蝕敏感性影響順序由高到低為：峰時效>欠時效>過時效，主要是因為峰時效處理后的合金在晶界析出的強化相比欠時效處理的數(shù)量多，不溶性腐蝕產(chǎn)物增多，從而導(dǎo)致剝落腐蝕比較嚴(yán)重。