淬火轉(zhuǎn)移時間對1933鋁合金拉伸性能、腐蝕性能及微觀組織的影響

劉文軍 ，劉勝膽 ，張新明 ，陳慧 ，鐘奇鳴

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2.中南大學(xué) 教育部有色金屬重點實驗室，湖南 長沙，410083)

飛機上大型整體結(jié)構(gòu)件的制備需要高強Al-Zn-Mg-Cu合金的(超)厚板和大鍛件。由于截面面積大，這些(超)厚板和大鍛件固溶后淬火時往往較難獲得足夠快的冷卻速率[1]；而為了控制殘余應(yīng)力，需適當(dāng)降低冷卻速率[2]。因此，用于生產(chǎn)大截面產(chǎn)品的Al-Zn-Mg-Cu合金的淬火敏感性要低，需要的臨界淬火速率可較小[3?4]。1933鋁合金是俄羅斯開發(fā)的低淬火敏感合金，適用于生產(chǎn)厚截面的鍛件[5]，但在實際生產(chǎn)過程中，該合金的工藝參數(shù)仍需嚴(yán)格控制才能保證得到較好的力學(xué)和腐蝕等性能以及低的殘余應(yīng)力[6]。鍛件在固溶后，通常需要從爐子中轉(zhuǎn)移到淬火槽中進(jìn)行淬火，從爐子中取出到淬入冷卻介質(zhì)之間的時間稱為淬火轉(zhuǎn)移時間。對于Al-Zn-Mg-Cu合金，淬火轉(zhuǎn)移時間是必須控制的1個關(guān)鍵工藝參數(shù)，因為當(dāng)該時間超過某一臨界值時，時效后的性能會有顯著降低[7?8]。在轉(zhuǎn)移過程中，合金溫度降低，固溶體發(fā)生分解在基體及晶界等處析出第二相，從而影響強度、伸長率及電導(dǎo)率等性能[7?8]。當(dāng)材料的成分不同時，固溶體分解的速度也不同[3]，因此，對于不同的合金，淬火轉(zhuǎn)移時要控制的臨界時間也不同。另外，以往研究獲得的結(jié)果往往對某一厚度的產(chǎn)品有參考意義。本文作者研究淬火轉(zhuǎn)移時間對 1933鋁合金鍛件時效后拉伸性能和腐蝕性能的影響規(guī)律，并結(jié)合微觀組織觀察對其原因進(jìn)行分析，測定其水淬時對應(yīng)的溫度，以便為該合金大截面產(chǎn)品淬火轉(zhuǎn)移時間的控制提供參考。

1 實驗

1.1 材料及熱處理

實驗采用1933鋁合金鍛件，其中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：Zn，6.80%，Mg，1.90%；Cu，1.00%；Zr，0.12%； Fe+Si，＜0.15%，余量為Al。從鍛件上切取厚度為 2.5 mm的樣品，將其在鹽浴爐中進(jìn)行 470℃/100 min固溶處理，然后取出在空氣中分別停留5，20，40，60和90 s后淬入室溫水中，該停留的時間即為淬火轉(zhuǎn)移時間。樣品在淬火后進(jìn)行110 ℃/12 h+180℃/6 h(T73)的雙級人工時效。另取，樣品在中間部分焊上熱電偶，測定經(jīng)不同轉(zhuǎn)移時間后淬火時樣品所對應(yīng)的溫度。

1.2 性能測試

拉伸性能樣品按國標(biāo)GB/6497-14進(jìn)行加工，拉伸實驗在CSS-44100電子萬能試驗機上進(jìn)行，測得屈服強度σ0.2、抗拉強度σb和伸長率δ5，每個狀態(tài)取3個平行樣品。

晶間腐蝕實驗按照國標(biāo)GB/T 7998—2005進(jìn)行。腐蝕溶液配比為：57 g NaCl+10 mL H2O2+1 L蒸餾水，面容比為 15 mm2/L，采用水浴將溫度保持在(35±2)℃，每種狀態(tài)取平行試樣3塊。實驗結(jié)束后制備金相觀察腐蝕情況，并進(jìn)行腐蝕等級評定。

剝落腐蝕實驗按照ASTM G34—79標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。腐蝕液配比為：234 g NaCl+50 g KNO3+6.3 mL HNO3+1 L蒸餾水，容面比為25 mL/cm2，采用水浴將溫度保持在(25±3)℃，每種狀態(tài)取平行試樣3個。腐蝕實驗結(jié)束后取出樣品，采用數(shù)碼相機記錄表面形貌，按照標(biāo)準(zhǔn)評定剝蝕等級，然后水洗，并用30% HNO3去除腐蝕產(chǎn)物。

1.3 微觀組織觀察

金相樣品經(jīng)水磨砂紙粗磨后，依次采用400號，800號和1 200號金相砂紙細(xì)磨，最后用絨布拋光，在XJP-6A型金相顯微鏡下觀察腐蝕情況。

透射電鏡樣品先預(yù)磨至厚約0.1 mm，沖成直徑為3 mm的圓片，然后在MTP-1A型雙噴儀上減薄，電解液為90% CH3OH+10% HNO3，電壓約為15 V，采用液氮進(jìn)行冷卻。樣品觀察在TECNAI G220型透射電鏡上進(jìn)行，加速電壓為200 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)移時間?溫度曲線

圖1所示為樣品在轉(zhuǎn)移過程中的溫度變化曲線。由圖1可見：隨著轉(zhuǎn)移時間的增加，樣品的溫度不斷下降，其下降的速率隨著時間的延長而減小；在 5 s時，樣品的溫度約435 ℃；至20 s時，溫度下降至約366 ℃；至40 s時，溫度約為330 ℃；至60 s時，溫度降至約280 ℃；至90 s時，溫度約為225 ℃。

圖1 樣品在轉(zhuǎn)移過程中的溫度變化曲線Fig.1 Temperature curve of sample during transfer process

2.2 拉伸性能

圖2所示為淬火轉(zhuǎn)移時間對1933鋁合金時效后拉伸性能的影響。由圖2可見：隨著淬火轉(zhuǎn)移時間的延長，合金的拉伸性能下降。屈服強度σ0.2在轉(zhuǎn)移時間小于20 s時基本沒有變化，大于20 s時呈單調(diào)下降，至90 s時，下降至約為360 MPa，與轉(zhuǎn)移時間為5 s時相比下降程度約為 9%。隨著轉(zhuǎn)移時間延長，抗拉強度σb不斷下降，至90 s約為410 MPa，下降程度約為7.5%。伸長率在轉(zhuǎn)移時間5 s時最高，約13%，至20 s時明顯下降，之后隨著時間延長變化不大，在11%左右。

圖2 淬火轉(zhuǎn)移時間對1933鋁合金拉伸性能的影響Fig.2 Effect of quench transfer time on tensile properties of 1933 aluminum alloy

2.3 晶間和剝落腐蝕性能

所有的樣品均未觀察到晶間腐蝕跡象，但表面可觀察到大量的點蝕坑，只發(fā)生了點腐蝕，典型的結(jié)果如圖3所示。隨著淬火轉(zhuǎn)移時間的延長，點蝕坑的深度增加，最大腐蝕深度在5 s時約為10 μm；20 s時約為 13 μm；40 s時約為25 μm；60 s時約為36 μm；至90 s時，增加至約為50 μm。和5 s時的相比，增加幅度為400%。但對照國標(biāo)GB/T 7998—2005可知，這些樣品均具有良好的抗晶間腐蝕性能。

樣品經(jīng)剝落腐蝕浸泡后的表面形貌如圖4所示。樣品表面均未觀察到分層、剝落的跡象，只觀察到一些點蝕，但隨著淬火轉(zhuǎn)移時間的延長點蝕變得更嚴(yán)重，出現(xiàn)了一些爆皮的跡象，如圖4(b)所示。因此，樣品的腐蝕等級都為P級，都具有良好的抗剝落腐蝕性能。由此可知，淬火轉(zhuǎn)移時間延長略降低了1933鋁合金的抗腐蝕性能。

2.4 微觀組織

圖5所示為淬火轉(zhuǎn)移時間為5 s時，合金時效后的透射電鏡照片。由圖5可見：經(jīng)過雙級時效(T73)處理后合金基體中析出了大量的η′+η沉淀強化相；大部分晶界上的第二相較粗大，呈斷續(xù)分布狀態(tài)，如圖5(b)所示，而且晶界無沉淀析出帶很窄，約50 nm。

圖3 晶間腐蝕浸泡后樣品截面的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of samples after intergranular corrosion exposure

圖4 剝落腐蝕浸泡48 h后樣品表面形貌Fig.4 Surface morphology of samples after exfoliation corrosion exposure for 48 h

圖5 淬火轉(zhuǎn)移時間為5 s時樣品時效后的TEM照片F(xiàn)ig.5 TEM images of aged sample with quench transfer time of 5 s

圖6 淬火轉(zhuǎn)移時間為90 s時樣品時效后的TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM images of aged sample with quench transfer time of 90 s

圖6所示為淬火轉(zhuǎn)移時間為90 s時，合金時效后的透射電鏡照片。由圖6可知：合金基體中除了大量的沉淀強化相(η′+η)外,還可觀察到一些尺寸較大的條狀η平衡相，如圖6(a)所示。在樣品制備過程中這些η平衡相被腐蝕掉，所以呈白色。這些相長度為幾百納米，長的達(dá)約0.6 μm，其周圍可觀察到無沉淀析出帶的存在。合金中大部分晶界上的第二相更粗大，分布更加不連續(xù)，如圖6(b)所示，而且晶界無沉淀析出帶的寬度明顯增加，約達(dá)150 nm。

3 分析與討論

淬火轉(zhuǎn)移時間延長降低了 1933鋁合金鍛件時效后的強度，據(jù) TEM 觀察認(rèn)為，主要是因為晶粒內(nèi)部析出了一些粗大的η平衡相(見圖6(a))。合金鍛件淬火前在空氣中轉(zhuǎn)移時，溫度不斷下降(見圖1)，合金元素的溶解度必然減小，固溶體發(fā)生分解，在晶內(nèi)彌散粒子或大角度晶界上非均勻形核析出平衡相[9?11]。這種平衡相基本沒有強化作用，反而消耗了溶質(zhì)原子，減少后續(xù)時效生成的沉淀強化相，降低強化效果。轉(zhuǎn)移時間越長，平衡相數(shù)量越多，直徑越大，因此時效后獲得強化效果越小，強度越低，如圖2所示。第二相在晶界的優(yōu)先析出導(dǎo)致晶界附近溶質(zhì)原子濃度的降低；另外，晶界是空位阱，合金緩冷時空位向晶界擴散而造成晶界附近空位濃度的降低[12]，因此時效后晶界上第二相分布更加不連續(xù)，無沉淀析出帶寬化，如圖5和6所示。晶界無沉淀析出帶更軟，變形時在其中易產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力集中，增加沿晶斷裂的比例，降低伸長率[7,13]。

1933鋁合金鍛件淬火后經(jīng)過了 T73雙級時效處理，晶界的第二相呈不連續(xù)分布狀態(tài)(見圖5)，因此，具有良好的耐腐蝕性能，均未發(fā)生晶間腐蝕和剝落腐蝕(見圖3和4)。但淬火轉(zhuǎn)移時間延長仍然增加了腐蝕深度，降低了合金的耐腐蝕性能。據(jù)組織觀察結(jié)果認(rèn)為(見圖5和6)，這主要是晶界無沉淀析出帶寬化所導(dǎo)致的。當(dāng)淬火轉(zhuǎn)移時間延長至90 s時，晶界的第二相更加粗大，分布更加離散，通?？商岣吣臀g性能，因為晶界析出相的這種分布狀態(tài)有利于阻斷沿晶界的陽極溶解通道[14?17]。但其效果可能為晶界無沉淀析出帶寬化帶來的不利影響所抵消甚至超過，因為晶界無沉淀析出帶在一定條件下即可充當(dāng)陽極，加快腐蝕的發(fā)展[18]，所以，降低合金的耐腐蝕性能。

從淬火轉(zhuǎn)移時間對合金時效后性能的影響也可反映其淬火敏感性。以往有研究發(fā)現(xiàn)淬火轉(zhuǎn)移時間為40 s時，7075鋁合金的強度下降程度約為10%[8]，7055鋁合金的約為9%[7]，而對于1933鋁合金只有約4%，這說明1933鋁合金具有更弱的淬火敏感性。這與采用時間?溫度?性能曲線研究 Al-Zn-Mg-Cu鋁合金淬火敏感性得到的結(jié)果一致[3]。對于本研究的1933鋁合金樣品，綜合考慮其拉伸性能和腐蝕性能，淬火轉(zhuǎn)移時間控制在20 s以內(nèi)較好；但當(dāng)產(chǎn)品的尺寸不同時，在轉(zhuǎn)移過程中溫度的下降速率也不同。據(jù)圖1中樣品水淬時對應(yīng)的溫度，該合金產(chǎn)品在淬火時的溫度需高于約366 ℃，據(jù)此在實際生產(chǎn)過程中可視不同尺寸產(chǎn)品轉(zhuǎn)移過程的降溫情況來控制淬火轉(zhuǎn)移時間，從而為獲得良好的綜合性能奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)隨著淬火轉(zhuǎn)移時間增加，1933鋁合金時效后的拉伸性能和耐蝕性能降低。為獲得良好的綜合性能，淬火轉(zhuǎn)移時間應(yīng)小于20 s。

(2)淬火轉(zhuǎn)移時間過長導(dǎo)致晶粒內(nèi)部析出粗大的平衡η相，晶界無沉淀析出帶寬化，是拉伸性能和耐蝕下降的主要原因。

(3)為保證時效后良好的綜合性能，轉(zhuǎn)移時間的控制應(yīng)使該合金產(chǎn)品淬火時的溫度不低于366 ℃。

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