2D12-T4鋁合金薄壁管材晶間腐蝕工藝改進(jìn)

鄭 旭，馮 旺，肖 翔

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326；2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京102209）

0 前言

2D12 合金是AL-Cu-Mg 系合金，主要添加元素有Cu、Mg、Mn等。該合金強(qiáng)度高、耐熱性能和加工性良好，但耐蝕性不如大多數(shù)其它合金［1］。由于2D12-T4薄壁管使用環(huán)境的特殊性，用戶對(duì)其晶間腐蝕深度有一定的要求，厚度為1 mm 的薄壁管材晶間腐蝕深度≤150μm。由于晶間腐蝕發(fā)生在金屬內(nèi)部，往往不容易被發(fā)現(xiàn)，所以一旦出現(xiàn)會(huì)引起結(jié)構(gòu)件的突然破壞，造成災(zāi)難性的后果［2］。本文就如何控制2D12-T4合金薄壁管材晶間腐蝕深度的問題，提出了解決方案。

1 晶間腐蝕形貌及機(jī)理分析

晶間腐蝕是沿著晶粒邊界發(fā)生的選擇性腐蝕。晶界是金屬晶粒間的錯(cuò)接區(qū)，是高能區(qū)，有更強(qiáng)的化學(xué)活性，因此在大多數(shù)情況下晶界比晶粒本身腐蝕得更快。因晶界明顯活潑得多，故會(huì)發(fā)生晶間腐蝕［2］。晶間腐蝕是沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕。按HB 5255腐蝕方法對(duì)2D12-T4薄壁管材進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，得出晶間腐蝕部位典型電鏡形貌及能譜結(jié)果，如圖1所示。

可以看出，腐蝕部位呈點(diǎn)蝕形貌特征，且腐蝕部位存在較多富Cu 相。因此，需要盡量消除S 相（Al2CuMg）和θ相（Al2Cu），減少含F(xiàn)e雜質(zhì)相，才能提高合金的抗蝕性能。

圖1 2D12-T4成品管材晶間腐蝕部位典型形貌及能譜結(jié)果

2D12鋁合金在自然時(shí)效（T4狀態(tài)）下，晶界會(huì)沉淀出電位為-0.9V富銅的S相（Al2CuMg）和θ相（Al2Cu），在晶粒邊界形成電位為-0.78V的貧銅區(qū)，而晶?；w為固溶體，其電位為-0.68V。顯然，由于富銅區(qū)電位最負(fù)，與晶界周圍相對(duì)高電位的貧銅區(qū)以及正常的基體形成電位差，在金屬晶粒間發(fā)生電化學(xué)腐蝕，于是腐蝕沿著晶間進(jìn)行，形成點(diǎn)蝕或者縫蝕。2D12-T4腐蝕機(jī)理分析見圖2。

圖2 2D12晶間腐蝕機(jī)理分析

2 實(shí)驗(yàn)方法

顯微組織中未溶粗大相主要為S相、θ相和含F(xiàn)e 相。據(jù)資料介紹，晶間腐蝕可通過加工工藝、熱處理規(guī)范的合理搭配與選擇，以及控制引起晶間腐蝕的合金元素含量等手段有效控制晶間腐蝕或者消除晶間腐蝕敏感性［2］。本文研究了鑄錠合金成分及均勻化工藝對(duì)點(diǎn)蝕及晶間腐蝕敏感性的影響。

2.1 工藝路線及化學(xué)成份的調(diào)整

2D12-T4 薄壁管材的典型生產(chǎn)工藝路線如下：鑄錠準(zhǔn)備→擠壓→矯直→切頭、尾→壓延退火→蝕洗→壓延→減徑退火→空拉→淬火→整徑→矯直→切成品→成品檢查→包裝。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)2D12 合金各元素成分的范圍，在實(shí)驗(yàn)室分別制備不同合金成分的鑄錠。即經(jīng)過配料、熔化、除渣、精煉、除氣等工序，最終澆鑄成鑄錠。并通過擠壓、軋制、拉拔等工序制成φ20 mm×1.5 mm的樣管，生產(chǎn)參數(shù)見表1。

冷軋成薄壁圓管后將其壓扁并將表面磨平，檢測其表面成分，結(jié)果如表2所示。其中1#產(chǎn)品鑄錠成分是降低了Cu、Mg 含量，按標(biāo)準(zhǔn)要求下限控制；2#產(chǎn)品鑄錠成分是降低了Cu、Mg 含量，按標(biāo)準(zhǔn)要求的中限控制；3#產(chǎn)品是常規(guī)成分的鑄錠產(chǎn)品，Cu、Mg元素含量較高。

表1 φ 20 mm×1.5 mm薄壁管材部分生產(chǎn)參數(shù)

表2 φ20 mm×1.5 mm管材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 優(yōu)化均熱制度

2D12管材鑄錠常規(guī)均熱工藝為495 ℃/6 h，此時(shí)管材的顯微組織形貌如圖3（a）所示，從圖3（a）可以看出，組織中含有殘留粗大球狀含Cu 相（S 相、θ相）。由前文可知，含Cu 相與基體電位差最大，優(yōu)先在該位置發(fā)生腐蝕。因此需要將均熱制度進(jìn)行優(yōu)化，盡量消除過剩的含Cu相，使得含Cu相充分回溶。

對(duì)均熱制度進(jìn)行優(yōu)化，即將均熱時(shí)間由6 h 延長至25 h。均勻優(yōu)化后的管材的顯微組織形貌圖如圖3（b）所示。從圖3（b）可看出，顯微組織中存在的含Cu 相數(shù)量少且尺寸小，組織中未見含F(xiàn)e相。

圖3 顯微組織對(duì)比圖

3 晶間腐蝕性能測試

按照航標(biāo)（HB/5255）進(jìn)行晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)，并通過金相測量試樣橫截面最大腐蝕深度，得到腐蝕深度與預(yù)期優(yōu)化的關(guān)系。

3.1 試驗(yàn)方法

切取40 mm長的管材，將管材內(nèi)外表面用酒精擦洗去除油污，再用10%NaOH 溶液腐蝕，去除表面氧化膜（浸泡5～10 min，直到管材表面完全變黑）。然后用自來水沖洗干凈，再在30%HNO3溶液中“出光”，接著用去離子水沖洗，吹干。

將準(zhǔn)備好的試樣用塑料線垂直懸掛并完全沉浸于下列溶液中：氯化鈉（化學(xué)純），30 g；鹽酸（化學(xué)純，比重1.19），10 mL；去離子水，1 L。

腐蝕持續(xù)時(shí)間為24 h。將腐蝕后的樣品取出水洗，并在30%HNO3溶液“出光”5～10 s，去除表面附著的腐蝕產(chǎn)物，水洗吹干，并及時(shí)制備出顯微觀測用的試片。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

φ20 m×1.5 mm 管材經(jīng)腐蝕后取出，其表面布滿黑色腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)水洗、硝酸出光10 s后宏觀形貌如圖4所示。1-1、1-2 為1#鑄錠成分的樣品，2-1、2-2為2#鑄錠成分的樣品，3-1、3-2為3#鑄錠成分的樣品。

圖4 腐蝕后的管材外表面

腐蝕后3個(gè)熔次終態(tài)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)樣品管材的金相形貌如圖5所示。

圖5 腐蝕后管材金相形貌

φ20 mm×1.5 mm管材內(nèi)外表面晶間腐蝕深度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。H1、H2、H3、H4 代表管材不同部位的腐蝕深度。

表3 φ 20 mm×1.5 mm晶間腐蝕深度均勻性統(tǒng)計(jì)表

從表3看出，1#鑄錠成分生產(chǎn)的薄壁管材不管是內(nèi)、外表面，其晶間腐蝕深度均最淺，都小于150 μm，滿足要求。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室試制澆鑄了3種不同合金成分的鑄錠，優(yōu)化鑄錠均熱制度之后，通過擠壓、軋制、拉拔、固溶淬火得到2D12-T4狀態(tài)薄壁管材，并測量了其晶間腐蝕性能，結(jié)論如下：

（1）降低Mg、Cu元素含量，可阻止淬火轉(zhuǎn)移過程中沿晶界形成連續(xù)析出相，提高抗晶間腐蝕性能。

（2）優(yōu)化均勻化工藝，將鑄錠均熱工藝調(diào)整為495～499 ℃/20～30 h 時(shí)，可減少組織中殘留粗大S相含量，提高晶間腐蝕性能。

（3）晶間腐蝕性能好的樣品的顯微組織中存在少量CuAl2相，未見AlFeCuMn相；晶間腐蝕性能差的樣品的顯微組織中存在較多塊狀A(yù)lFeCuMn相，在腐蝕介質(zhì)中，含F(xiàn)e 相與周圍鋁基體形成腐蝕電池，鋁基體作為陽極而被腐蝕。