計(jì)算機(jī)仿真模擬的冷卻速率對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金材料的剝落腐蝕行為影響

白鳳妮

摘 要 Al-Zn-Mg-Cu合金材料較易出現(xiàn)的一種局部腐蝕，降低了此種合金材料的力學(xué)性能[1]。文章利用實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬程序研究分析了冷卻速率會(huì)影響Al-Zn-Mg-Cu合金剝落腐蝕材料性能。有限元仿真軟件DEFORM模擬結(jié)果表明：合金材料的剝落腐蝕性能隨著冷卻速率的降低而逐漸降低，晶界上分布的析出相面積隨著降低冷卻速率而逐漸增大，剝落腐蝕材料性能降低的最為主要的原因?yàn)榫Ы缟蠠o沉淀析出帶的擴(kuò)散及析出相中含Cu量的降低。

關(guān)鍵詞 冷卻速率；剝落腐蝕；計(jì)算機(jī)仿真模擬

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）219-0143-04

Al-Zn-Mg-Cu合金材料強(qiáng)度較高且質(zhì)量輕，在航空結(jié)構(gòu)組織材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。但此種合金材料在工作的過程中常有局部會(huì)發(fā)生腐蝕，致使構(gòu)件的壽命和可靠性下降?？墒褂脽崽幚韽?qiáng)化此種合金材料。降低冷卻速率，會(huì)導(dǎo)致鋁合金材料板的抗晶間腐蝕性能大幅下降，同時(shí)也降低了鋁合金材料板的抗剝落腐蝕的能力。文章研究分析了鋁合金材料板的抗剝落腐蝕性能受冷卻速率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

60mm厚度的7055鋁合金板為實(shí)驗(yàn)用材料。將板材沿著長橫方向切取125mm×25mm×25mm橫截面的淬火樣品，將樣品的一端通過車床加工出直徑22mm、深度10mm的圓狀凹槽，此處為噴水冷卻端，再將樣品的另一端加工出直徑5mm、深度15mm的內(nèi)螺紋，將樣品通過此處在樣品架上進(jìn)行固定。

通過電阻爐對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理，當(dāng)升高爐溫到470℃時(shí)，進(jìn)行1h的保溫后取出試樣，對(duì)樣品的凹槽端利用末端的淬火裝置進(jìn)行噴水冷卻。待樣品冷卻到常溫后，將其放進(jìn)油浴爐中開始121℃/24h的人工時(shí)效。再去尺寸相同的樣品，在距離噴水端距離不同的位置加工出小孔以放入熱電偶，通過對(duì)端淬過程中的冷卻曲線進(jìn)行測(cè)試，來分析計(jì)算這些不同位置在230℃～420℃的淬火敏感區(qū)域內(nèi)的平均冷卻速率。

端淬樣品進(jìn)行人工時(shí)效處理后，在對(duì)冷卻速率已經(jīng)測(cè)量的部位切取試樣，對(duì)其在EXCO溶液體系中極化曲線進(jìn)行測(cè)試。將樣品沿中心進(jìn)行切開，通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)試樣進(jìn)行剝落腐蝕浸泡的試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，切取不同部位試樣來制備金相，同時(shí)觀察其腐蝕的情況，測(cè)量腐蝕的深度，計(jì)算出其與樣品厚度的比例。在端淬樣品的不同部位切取試樣，對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

將上述實(shí)驗(yàn)工藝及參數(shù)作為有限元仿真軟件DEFORM模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用DEFORM軟件里的熱處理模塊2D，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝?yán)肅AD/CAE軟件建立試樣模型并劃分網(wǎng)格，然后將模型導(dǎo)入到DEFORM軟件熱處理模塊2D中，構(gòu)建工藝函數(shù)，進(jìn)行模擬并得到模擬結(jié)果。利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)全過程，同時(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，以增加結(jié)果的可靠性，降低實(shí)驗(yàn)誤差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樣品的微觀結(jié)構(gòu)組織

如圖1所示，為從冷卻速率不同位置端淬樣品的金相結(jié)構(gòu)組織的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果都可看出，合金材料中的晶粒結(jié)構(gòu)組織并沒有受到冷卻速率的影響，可在1 250℃/min位置晶界清楚的觀察到，說明了部分固溶后合金材料發(fā)生了再結(jié)晶行為，再結(jié)晶的晶粒呈長條狀，有部分黑粗初生相在內(nèi)部出現(xiàn)；較多細(xì)小的亞晶在未發(fā)生再結(jié)晶的地帶發(fā)現(xiàn)，亞晶出現(xiàn)的原因是腐蝕到了亞晶界上的第二相受[3]。

在138℃/min位置的晶界不容易辨認(rèn)清楚，再結(jié)晶晶粒的結(jié)構(gòu)不清晰，但有較為清晰帶狀黑色的結(jié)構(gòu)組織，較多的未再結(jié)晶部位變成了黑色，亞晶變的不太清晰。這是因?yàn)榫嚯x噴水端越遠(yuǎn)，冷卻速率則越小，淬火過程中所析出的第二相就越多，首先在浸蝕劑中受到腐蝕，從而對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的顯現(xiàn)產(chǎn)生了影響[4]。

2.2 極化曲線

如表1所示，為不同冷卻速率位置的極化曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)。測(cè)試極化曲線的一種典型結(jié)果如圖2所示。從圖中實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果可知，當(dāng)不斷減小冷卻速率的，極化曲線逐漸向電位更負(fù)的方向偏移，即隨著冷卻速率的減小，腐蝕電位也隨即逐漸減小，同時(shí)陽極區(qū)域的曲線逐漸上移且更大的變化趨勢(shì)。基于圖2的結(jié)果觀察到，給出了冷卻速率和極化電阻、腐蝕電位值和腐蝕電位密度的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3a中看出，冷卻速率越小則腐蝕電位就越小，腐蝕電流的密度就越大，兩條曲線以相反的趨勢(shì)逐漸變化。大于164℃/min區(qū)域的腐蝕電位，減小冷卻速率，腐蝕電位緩慢下降，低于164℃/min后則急速降低。從圖2b中可看到，1 250℃/min冷卻速率時(shí)的極化電阻為138℃/min冷卻速率時(shí)的3倍左右，冷卻速率越小則極化電阻越小。利用線性方程對(duì)其進(jìn)行擬合處理，結(jié)果如式（1）所示，相關(guān)線性系數(shù)為0.997，冷卻速率（V）與極化電阻（R）呈現(xiàn)線性的關(guān)系：

R=18.885+0.035V

電化學(xué)腐蝕的速率與腐蝕電流密度成正比的關(guān)系，與極化電阻成反比的關(guān)系。腐蝕電流的密度越大則合金材料的腐蝕速率越快，耐腐蝕性能就越差，極化的電阻越大，合金材料的耐腐蝕性能越好，這表明了合金材料的耐腐蝕性能隨著減小冷卻速率而降低。

2.3 浸泡樣品的剝落腐蝕

從對(duì)不同位置的試樣剝落腐蝕程度進(jìn)行評(píng)級(jí)的結(jié)果中可知，隨著延長浸泡的時(shí)間，腐蝕的情況均逐漸嚴(yán)重；更為嚴(yán)重腐蝕的情況在冷卻速率小的位置；試樣在整個(gè)浸泡過程中，冷卻速率大于630℃/min的區(qū)域腐蝕的情況相當(dāng)，而小于630℃/min的冷卻速率的區(qū)域腐蝕情況相當(dāng)。48h之后大于630℃/min冷卻速率的范圍其表面有逐漸向試樣的內(nèi)部擴(kuò)散及較為顯著的分層情況，可評(píng)定其為EB級(jí)，而冷卻速率小于630℃/ min的區(qū)域有較多的金屬脫落，表面分層的情況更為嚴(yán)重，同時(shí)向試樣的深處擴(kuò)散，可評(píng)定其為ED級(jí)。

試樣在浸泡48h后其層狀腐蝕層的最大深度及厚度減薄量與冷卻速率的關(guān)系如圖4所示。從圖中可知，隨著減小冷卻速率，層狀腐蝕層的最大深度及厚度減薄量都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且當(dāng)冷卻速率小于164℃/min時(shí)所增加的趨勢(shì)更大。冷卻速率從1 250℃/min降到138℃/min時(shí)，樣品的厚度減薄量從43mμ增加到201mμ，層狀腐蝕層的最大深度從167mμ增大到558mμ，冷卻速率較小時(shí)材料表面剝落的情況嚴(yán)重，腐蝕逐漸擴(kuò)散到樣品的深處。從圖4曲線的走勢(shì)表明，合金材料的剝落腐蝕性能隨著減小冷卻速率而逐漸降低。

材料剝落腐蝕的發(fā)生也由于晶界上的η相面積的增加，使得剝落腐蝕的敏感性提高，也是冷卻速率減小降低了合金材料剝落腐蝕性能的原因[5]。PEZ為一個(gè)貧溶質(zhì)區(qū)域，降低冷卻速率使得PEZ的體積增加，當(dāng)冷卻速率較低時(shí)寬度明顯增大，PEZ的體積分?jǐn)?shù)大幅增加。晶界局部腐蝕的發(fā)生由于較多PEZ的存，也是減小冷卻速率導(dǎo)致合金材料剝落腐蝕性能下降的原因。陽極加速溶解由于晶界第二相中含Cu量的減少，促進(jìn)了腐蝕開裂的擴(kuò)展及萌生，也是合金材料剝落腐蝕性能下降的原因。

3 結(jié)論

減小冷卻速率降低了7055鋁合金材料的腐蝕電位，增加了腐蝕電流密度，減小了極化電阻，同時(shí)極化電阻與冷卻速率為線性關(guān)系。腐蝕的等級(jí)從EB級(jí)變成ED級(jí)，冷卻速率從1 250℃/min降到138℃/min時(shí)樣品的厚度減薄量從43mμ增加到201mμ，層狀腐蝕層的最大深度從167mμ增大到558mμ，減小冷卻速率導(dǎo)致合金材料的剝落腐蝕性能降低。減小冷卻速率導(dǎo)致晶界η相的面積增大，Cu的含量降低了，晶界無沉淀析出帶寬化了，合金材料的剝落腐蝕性能降低了。

參考文獻(xiàn)

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