竭艷麗，趙志國，張洪靜，秦 宇，盧瀟涵

（1.航鑫材料科技有限公司，煙臺265700；2.南山鋁業(yè)股份有限公司國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，煙臺265700；3.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱150060）

0 前言

飛機用2026 型材除需要材料具有優(yōu)良的強度、斷裂韌性、抗剝落腐蝕等性能外還應(yīng)具有很好的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能[1]。因此在材料的研發(fā)上抗應(yīng)力腐蝕性能問題是空客等公司認證的關(guān)鍵點也是難點。

合金良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能跟它的晶粒結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，合理的晶粒結(jié)構(gòu)可以阻止應(yīng)力在腐蝕環(huán)境下沿晶界前行，也就是說材料的抗應(yīng)力腐蝕能力與晶粒形貌以及晶粒的縱橫比大小有直接的關(guān)系。晶粒顯現(xiàn)的越多，參加晶粒評定的數(shù)量就越多，評定晶粒的縱橫比結(jié)果就會更準確，為研究材料的整個截面晶粒形貌與拉伸棒試樣應(yīng)力腐蝕開裂位置的對應(yīng)關(guān)系能提供更有效的依據(jù)。

2026-T3511 擠壓制品組織常為變形組織、亞晶和再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)。不同的組織結(jié)構(gòu)其顯微組織受腐蝕程度影響而有所不同。因此制定合理的腐蝕工藝對材料研發(fā)、成品檢測尤為重要。

目前實驗室通常采用的鋁合金腐蝕標準為GB/T 3246.1-2012 和ASTM E407-2007，這兩種標準采用的腐蝕劑大多數(shù)都是酸溶液或混合酸溶液。由于2026-T3511 擠壓型材存在組織結(jié)構(gòu)差異，采用標準中的混合酸或氫氟酸溶液進行腐蝕時，若腐蝕時間短，晶粒形貌則顯現(xiàn)不完全；若延長腐蝕時間則基體顏色偏暗，使有些晶粒形貌被掩蓋，不能顯現(xiàn)更多的晶粒形貌。因此參加測量的晶粒長寬比也就不具有代表性，影響了整體晶粒的測量和統(tǒng)計的準確性，滿足不了材料研發(fā)的要求。

為了解決顯現(xiàn)更多、更清晰的晶粒形貌的難題，選擇氫氧化鈉水溶液與混合酸對比的方法進行了試驗及分析。

1 試驗方案

1.1 試驗用料和制備

選用2026-T3511鋁合金型材作為試驗用料，型材整個橫截面長度為170 mm。在長度方向取3個試樣，每個試樣的規(guī)格均為57 mm×20 mm×15 mm，然后分別對試樣進行磨拋。磨拋過程：粗砂紙-細砂紙-粗絨布-細絨布-清水沖洗-25%硝酸漂洗-清水清洗-酒精擦拭，直到試樣表面達到光亮、能正確清晰顯示顯微組織為止。把制備好的試樣放在浸蝕劑里進行浸蝕，最后在顯微鏡下觀察。

1.2 試驗方案

將試樣分別浸蝕在混合酸或氫氟酸和氫氧化鈉溶液中，觀察其組織結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)情況，并進行數(shù)據(jù)分析，同時根據(jù)觀察到的組織結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)情況和數(shù)據(jù)分析來確定腐蝕劑的濃度和浸蝕時間。最后通過電子掃描對比分析了材料在混合酸和堿溶液浸蝕后出現(xiàn)蝕坑的腐蝕程度。

2 試驗觀察與結(jié)果

常用的鋁合金腐蝕標準為GB/T 3246.1-2012和ASTM E407-2007，這兩種標準中采用的腐蝕劑基本都是酸溶液或混合酸溶液，即化學(xué)腐蝕法。

2.1 混合酸溶液

將磨拋好的其中一塊試樣放在混合酸溶液里浸蝕，溶液的比例參照標準配置。具體腐蝕液和工藝條件及顯現(xiàn)的晶粒數(shù)統(tǒng)計見表1。浸蝕后的顯微組織如圖1 所示。用PS 軟件識別晶粒，最后采用ipwin32 軟件進行晶粒個數(shù)和晶粒的縱橫比數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表1 腐蝕液和工藝條件及顯現(xiàn)的晶粒數(shù)統(tǒng)計

觀察圖1可知，試樣的顯微組織是變形組織和亞晶結(jié)構(gòu)組織，浸蝕30 s后試樣基體顏色偏暗（在大倍數(shù)下觀察是黑色點狀物-簡稱小黑點），部分晶粒已顯現(xiàn)出來，還有部分的晶粒沒有顯現(xiàn)出來，發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)部以及晶界周圍出現(xiàn)少量的小黑點。將試樣繼續(xù)浸蝕40s、50s后發(fā)現(xiàn)晶界顯現(xiàn)比圖1（a）略多些，但是整體顏色更加偏暗，也就是小黑點更多（見圖1（b））。這些小黑點與腐蝕后的晶界顏色接近，造成晶粒與晶粒間的界限模糊，導(dǎo)致觀察上出現(xiàn)困難。

從表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，浸蝕30～50 s 后顯現(xiàn)晶粒的數(shù)量有遞增趨勢，由151 個遞增到158 個，但趨勢不大；繼續(xù)浸蝕到60 s后小黑點出現(xiàn)更多，甚至將先前浸蝕的部分晶界掩蓋了，顯現(xiàn)的晶粒數(shù)為150 個，從整體效果看不理想。表1 中4 種浸蝕劑配比的腐蝕效果基本相同。

2.2 氫氧化鈉溶液

將上述浸蝕過的試樣按上述同樣方法重新制備，然后放在氫氧化鈉水溶液中浸蝕。浸蝕后的典型顯微組織如圖2所示。腐蝕溶液和工藝條件及顯現(xiàn)的晶粒數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 腐蝕液工藝條件及顯現(xiàn)的晶粒數(shù)統(tǒng)計

圖2 4%～5%氫氧化鈉溶液浸蝕后的顯微組織（100倍）

從圖2 和表2 可知，當選擇2%氫氧化鈉濃度、浸蝕時間為2～5 min 時，晶粒形貌逐漸顯現(xiàn)出來，基體干凈沒有黑點，晶粒個數(shù)從155 個上升到163個，再延長浸蝕時間，晶粒顯現(xiàn)沒有明顯變化。選擇4%氫氧化鈉、浸蝕時間為2～4 min時，晶粒形貌逐漸顯現(xiàn)出來，基體清晰干凈，晶粒個數(shù)從157個上升到181 個；當浸蝕時間延長到5 min 時，基體和晶粒附近出現(xiàn)小黑點。小黑點和晶界顏色相近，晶粒與晶粒之間界限模糊難以辨認，影響到晶粒的統(tǒng)計，造成統(tǒng)計數(shù)據(jù)減少到172 個。選擇5%氫氧化鈉溶液、浸蝕時間約為2 min時，部分晶粒顯現(xiàn)出來，基體干凈，沒有小黑點；延長浸蝕時間到4 min 時，基體和晶粒附近逐漸也出現(xiàn)少量的小黑點，同時又有新的晶粒顯現(xiàn)出來，晶粒個數(shù)為165～176個；再延長到5 min，基體和晶粒附近出現(xiàn)的小黑點逐漸增多了，先前的晶界有的被掩蓋，同樣也影響到晶粒的統(tǒng)計，造成統(tǒng)計數(shù)據(jù)減少到170 個。根據(jù)圖2和表2綜合評定：氫氧化鈉溶液濃度在4%～5%、浸蝕時間為3～4 min、晶粒顯現(xiàn)在175個左右為合適的腐蝕工藝制度。

2.3 電子掃描

對混合酸和堿溶液浸蝕后試樣出現(xiàn)的小黑點分別進行電子掃描試驗，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 混合酸浸蝕后的電子掃描

觀察圖3、圖4 后發(fā)現(xiàn)，試樣在混合溶液和氫氧化鈉溶液里出現(xiàn)的小黑點在掃描電鏡下反映出的是蝕坑，只是蝕坑的形貌不同。相比之下，在混合酸里發(fā)生的蝕坑比在氫氧化鈉溶液里的蝕坑尺寸小、數(shù)量多、腐蝕程度大。這種現(xiàn)象與顯微組織表現(xiàn)在基體和晶界附近顏色偏暗的程度相對應(yīng)。

圖4 4%～5%氫氧化鈉浸蝕后的電子掃描

3 討論

眾所周知，化學(xué)浸蝕是一種化學(xué)溶解的過程，即在溶解過程中首先溶掉一層變形層，然后對晶界起化學(xué)溶解的一個過程。因為位于晶界處的原子排列是紊亂無規(guī)律的，原子具有較高的自由能，促使晶界處浸蝕加快，容易受浸蝕而呈現(xiàn)凹溝，從而顯現(xiàn)了純鋁的多面體晶粒。同時各個晶粒由于原子排列位置不同，受浸蝕程度不同，因此在垂直光線照射下各部位反射進入光線不同，從而顯示出晶界陰暗不同的晶粒[2]。鋁在腐蝕過程中，位錯、晶界、表面微量元素偏聚會成為活化點被優(yōu)先腐蝕[3]，其中位錯是很重要的腐蝕源之一[4]。有資料證實，試樣的表面有位錯露頭的地方，在特定浸蝕條件下，該處將優(yōu)先腐蝕，產(chǎn)生位錯蝕坑，位錯蝕坑形狀取決于它所在的晶體的織構(gòu)取向，不同織構(gòu)將產(chǎn)生不同的蝕坑形貌，腐蝕坑個數(shù)可以表征試樣表面露頭位錯密度的大小[5]。

所謂“位錯露頭”是材料中的位錯線與材料表面相交的點。由于交點處附近位錯應(yīng)力場的存在，其化學(xué)穩(wěn)定性將低于表面的其他部分，因此，變形程度越大、位錯密度就越大，枝晶露頭就密集。2026-T3511 擠壓型材的組織結(jié)構(gòu)為大量的變形組織和亞結(jié)構(gòu)組織，枝晶露頭多且密集。由于晶體結(jié)構(gòu)取向不同，晶粒原子排列位置不同，因此在腐蝕液里受浸蝕的程度不同。材料在酸溶液或是在堿溶液里浸蝕，在一定的浸蝕時間內(nèi)有的晶粒被腐蝕顯現(xiàn)出來，有的晶粒還沒有顯現(xiàn)出來。當延長浸蝕時間時，由于有大量位錯晶粒的反應(yīng)速度大于晶界處的反應(yīng)速度，因而在晶界附近出現(xiàn)發(fā)暗、發(fā)黑的蝕坑。大量的蝕坑出現(xiàn)影響到晶界的辨認，因此也就影響了晶粒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。蝕坑的多少和形貌與枝晶露頭密集程度以及腐蝕劑、浸蝕時間有一定關(guān)系。無論試樣在酸溶液還是在堿溶液浸蝕都有蝕坑出現(xiàn)。相比之下，在室溫環(huán)境下2026-T3511 合金試樣在堿溶液里浸蝕一段時間比在一定濃度的酸溶液或混合酸溶液中的腐蝕速度要慢、出現(xiàn)的蝕坑要少，但在堿溶液顯現(xiàn)的晶粒數(shù)要比在酸溶液或混合酸溶液里顯現(xiàn)清晰的晶粒數(shù)大概要多出20個左右，其原因是鋁在堿溶液里的浸蝕反應(yīng)為2Al+NaOH+6H2O→Na[Al（OH）4]+3H2↑。在采用低氫氧化鈉濃度（0.1～0.5mol/L）溶液腐蝕時，鋁合金表面以阻擋層（腐蝕產(chǎn)物附著層）的生長為主[6]，這可能是Na[Al（OH）4]對Al溶解的緩沖或鈍化作用所致。

GB/T 6394-2017 中5.9 節(jié)指出：測量晶粒度時，應(yīng)認識到晶粒度的測定并不是一種十分精確的測量；5.10節(jié)也指出：顯微組織中晶粒尺寸和位置都是隨機分布的。隨機測量平均晶粒度才具有代表性。所謂的“代表性”即意味著試樣所有的部分對結(jié)果都有貢獻[7]。也就是說晶粒顯現(xiàn)的越多參加晶粒評定的數(shù)量就越多，評定晶粒的長寬比結(jié)果會更準確，能為材料研發(fā)提供更有效的準確依據(jù)。

由于材料在堿溶液浸蝕時出現(xiàn)蝕坑，速度慢且少，可以在較長的浸蝕時間里顯現(xiàn)更多的晶粒來。因此選擇4%～5%氫氧化鈉溶液、在15～25 ℃溫度下對2026-T3511合金擠壓型材進行3～4 min浸蝕能顯現(xiàn)出更多、更清晰的晶粒來。

4 結(jié)論

采用4%～5%氫氧化鈉溶液，在15～25 ℃溫度下對2026-T3511合金擠壓型材進行浸蝕3～4 min能顯現(xiàn)出更多、更清晰的晶粒。而顯現(xiàn)更多、更清晰的晶粒能為評定材料的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能提供準確有效的檢測依據(jù)。此項研究分析發(fā)現(xiàn)了GB/T 3246.1-2012 標準中存在的不適用性，填補了國內(nèi)在鋁合金變形組織適用金相腐蝕方法的空白，同時也為其他變形鋁合金金相的腐蝕檢測方法提供了新的思路。

采用4%～5%氫氧化鈉溶液的優(yōu)點是成分簡單、配置方便、成本低以及易操作。另外，此腐蝕方法也可以嘗試用于顯現(xiàn)合金成分低的變形鋁合金制品的晶粒形貌。