高锌超高强铝合金耐蚀性能研究

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超高强铝合金由于具有密度低、比强度和硬度高、加工性能好等优点,广泛应用于航空航天等领域。随着超高强铝合金的发展,合金中Zn的含量逐渐增多,从而使合金具备了更高的强度和一些特殊性能,但是其腐蚀敏感性也随之加剧。现代工业的飞速发展,对超高强铝合金综合性能的要求越来越高,而合金的腐蚀问题限制了其应用。因此,观察高锌超高强铝合金的腐蚀进程;研究其腐蚀机理;构建耐蚀组织;缓解合金强度与耐蚀性能之间的矛盾是目前亟待解决的问题,对高锌超高强铝合金的应用与发展有着极为重要的作用。  本论文以高锌超高强铝合金为研究对象,分别研究了单峰时效、双级过时效、双峰时效、回归再时效制度对合金耐蚀性能的影响,探讨了合金微观组织与耐蚀性能的对应关系;分析了高锌超高强铝合金在腐蚀初期发生发展的动态过程,构建了合金的腐蚀模型;自主设计具有浓度梯度的合金试样,经模拟热处理后,应用电化学手段对比合金的耐蚀性能,综合时效制度与元素含量,分析了成分-组织-耐蚀性能的对应关系。获得的主要研究成果如下:  通过不同时效态高锌超高强铝合金局部腐蚀(晶间腐蚀、剥落腐蚀)实验对比发现,双级过时效处理的合金的耐蚀性能最优,其次为回归再时效,然后是单峰时效,双峰时效效果最差。开路电位与极化曲线实验也得到一致的结果。四种热处理合金的力学性能与耐蚀性能的综合对比发现双级过时效合金在力学性能均衡的情况下具有最好的耐蚀性,因此综合性能最好,其次是回归再时效。  不同时效态合金的晶界与晶内组织对比发现,基体析出相细小的合金强度较高,如单峰时效与双峰时效;断续分布的晶界析出相可提高合金的断裂韧性与耐蚀性,如双级过时效与回归再时效。但是当断续分布的晶界析出相尺寸较小时,无沉淀析出带会在晶界析出相腐蚀消耗完后作为新的阳极被腐蚀溶解,从而降低了合金的耐蚀性能,如双峰时效。总而言之,具有粗大且断续的晶界析出相的合金有着较好的耐蚀性能。  观察合金在NaCl溶液中的初期腐蚀行为,发现腐蚀分为两个阶段:第一阶段(0~30min)腐蚀首先在粗大第二相(T相)周围与相接触的基体上产生,这是由于合金中T相电位比周围基体正,腐蚀产生时周围与之接触的基体作为阳极优先腐蚀;第二阶段(30~240min)合金表面晶界等处产生点蚀并逐步发展,而T相周围的腐蚀发展趋于缓慢,这是由于T相中合金元素的溶解使其主要成分变为Al(含量达60 at%),与周围基体电位接近,使得电化学腐蚀驱动力减小,而晶界等处由于η相与基体的电位差成为更易腐蚀的区域而产生点蚀。  对比不同时效态合金在NaCl溶液中腐蚀发展进程,发现腐蚀发展由快到慢的顺序为单峰时效、双峰时效、回归再时效、双级过时效,其速度差异主要是由合金晶界析出相的形貌差别所导致,进而发现点蚀是合金腐蚀发展的控制环节,通过调控晶界析出相形貌可提高合金的点蚀抗力,从而提高合金的耐蚀性能。高锌超高强Al-Zn-Mg-Cu合金在EXCO溶液中腐蚀的经历了点蚀、晶间腐蚀、产生剥落三个阶段,构建了各阶段的腐蚀模型发现合金L-T面的最大腐蚀深度随浸泡时间的延长首先快速增加,之后增速趋于缓慢,腐蚀深度随时间的变化可用关系式D=10.80t0.4138表达。  为进一步改善合金耐蚀性能,自主设计了具有浓度梯度的合金试样。其铸态组织均为发达的枝晶,且枝晶间存在着粗大的非平衡共晶相,随着元素含量的升高,晶内粗大析出相的数量增多。合金经过模拟热处理(均匀化、固溶、时效)后,铸态枝晶组织基本消除,合金内粗大相有所减少,但元素含量较多的合金中依然残留有较多粗大第二相。  通过电化学方法研究了元素成分对合金耐蚀性的影响,极化曲线测试发现成分为2.0wt.%Mg1.2wt.%Cu与2.2wt.%Mg1.2wt.%Cu的合金相对具有较好的耐蚀性;电化学阻抗谱测试发现合金的阻抗谱由高频容抗弧、中频容抗弧与低频感抗弧组成,建立等效电路进行拟合,通过对比阻抗谱参数,发现合金按耐蚀性能的优劣可分为两组:成分为含1.2wt.%Cu的合金与1.8wt.%Mg1.4wt.%Cu和2.0wt.%Mg1.4wt.%Cu合金耐蚀性能较优,而1.0wt.%Cu的合金与合金元素含量最多的2.2wt,%Mg1.4wt.%Cu合金耐蚀性能较差,其中耐蚀性能最好的为2.0wt.%Mg1.2wt.%Cu合金。  综合时效制度与元素含量对合金耐蚀性能的影响,获得了高锌超高强铝合金的理想耐蚀组织模式:在保持合金内粗大T相含量尽量减少的同时,使晶界η相呈粗大断续分布,且尽量提高η相的Cu含量,降低其Mg含量。论文通过优化合金成分与热处理工艺最终得到耐蚀性能最优的合金为Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu-0.12Zr(wt.%)。
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