穩(wěn)定化退火制度對(duì)Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金板材組織和性能的影響

韓 穎，鄒立國，王國軍，林 森，鄭 天，張立君

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

Al-Mg合金具有良好的成形加工性能、抗蝕性、焊接性和中等強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、艦船制造等領(lǐng)域。Al-Mg合金是不可熱處理強(qiáng)化合金，通常是采用加工硬化來提高其強(qiáng)度。但是經(jīng)過軋制變形后合金中存在較多的位錯(cuò)、空位等缺陷，會(huì)使得合金處于不穩(wěn)定狀態(tài)，之后的退火處理可以使軋制變形合金發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶過程，從而使加工硬化效果減弱[1]。對(duì)于用于海洋工程的鋁合金而言，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，又要求其比普通鋁板有更高的強(qiáng)度和更加優(yōu)良的耐腐蝕性能等。在Al-Mg合金中添加一定量的某些微量元素，可以在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)改善合金性能的穩(wěn)定性，已有的研究表明，稀土元素Sc、Er等可以在鋁合金中形成納米級(jí)的具有L12結(jié)構(gòu)的第二相粒子，從而對(duì)合金起到細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度和強(qiáng)度的作用[3-4]。目前，對(duì)于添加有稀土元素Er的Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金中的軋制變形和退火行為研究較少，Er元素的作用機(jī)制也尚不清楚。本課題制取Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金鑄錠、熱軋板、冷軋板，考察了在290 ℃退火不同退火保溫時(shí)間對(duì)Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金板材力學(xué)性能和腐蝕性能的影響，為開發(fā)海洋工程用高性能Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金板材提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用半連續(xù)鑄造法制備成分為Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金扁鑄錠，進(jìn)行軋制，工藝過程包括配料、熔煉、鑄造、熱軋(至16 mm)和單道次冷軋(至8 mm)等步驟。鑄錠的化學(xué)成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法檢測，檢測結(jié)果見表1。在箱式電阻爐中對(duì)冷軋板材進(jìn)行290 ℃不同保溫時(shí)間的退火處理，采用線切割方法切取金相試樣進(jìn)行不同型號(hào)砂紙的逐級(jí)打磨、機(jī)械拋光和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HF試劑腐蝕后，在QUANTA200型掃描電鏡下觀察顯微組織，透射樣品顯微組織分析在JEM2010型透射電鏡上進(jìn)行，在WDW電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，按照AST-MG67標(biāo)準(zhǔn)測定試驗(yàn)合金的晶間腐蝕性能。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of the experimental alloy(wt/%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金16 mm厚的熱軋態(tài)板進(jìn)行組織觀察，如圖1所示。圖1a是熱軋板H112態(tài)的晶粒形貌圖，可以看出晶粒沿軋制方向被拉長呈纖維狀，是加工后的流線組織。圖1b是熱軋板的晶界重構(gòu)圖。熱軋態(tài)的合金組織中2°～5°的小角度晶界為69.3%，5°～15°晶界為11.2%，大于15°的大角度晶界為19.5%。在熱軋態(tài)合金組織中晶界主要以小角度晶界為主。

2.1 穩(wěn)定化退火制度對(duì)合金板材力學(xué)性能的影響

將熱軋板均勻化處理后進(jìn)行變形量為50%的冷軋，對(duì)冷軋板取樣在290 ℃分別退火15 min、30 min、45 min、60 min得到不同程度再結(jié)晶的板材，板材拉伸性能測試結(jié)果如圖2所示。冷軋板在290 ℃退火，隨著退火時(shí)間的增加其強(qiáng)度逐漸降低、塑性逐漸增加，隨著退火時(shí)間的不同得到不同強(qiáng)度級(jí)別的板材。這是由于冷軋態(tài)板材其內(nèi)部存在著大量相互纏結(jié)的位錯(cuò)胞，導(dǎo)致了合金冷軋板的強(qiáng)度高、塑性低，而隨著退火保溫時(shí)間的延長，基體位錯(cuò)密度下降，在退火過程中發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，而再結(jié)晶會(huì)抵消變形過程中的加工硬化，使強(qiáng)度降低而塑性升高。

圖1 16 mm厚熱軋態(tài)板的顯微組織Fig.1 Microstructure of the 16 mm hot-rolled plate

2.2 穩(wěn)定化退火制度對(duì)合金板材組織的影響

圖3為試驗(yàn)合金經(jīng)冷軋后在290 ℃保溫不同時(shí)間退火后的晶粒形貌。它與前面所述熱軋態(tài)組織的再結(jié)晶程度有明顯的不同，在冷軋時(shí)合金組織內(nèi)部存在著許多破碎晶粒，被拉長的晶粒在退火過程中逐漸消失出現(xiàn)等軸晶，隨著退火時(shí)間的增加，等軸晶逐漸增多，晶粒的寬度也隨著退火時(shí)間的增加而逐漸增大。

圖2 冷軋板材經(jīng)290 ℃不同保溫時(shí)間退火后的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of cold rolled sheet annealed at 290 ℃ for different holding time

圖4是試驗(yàn)合金冷軋板在290 ℃保溫不同時(shí)間退火后的晶界重構(gòu)圖；表2分別為相同面積內(nèi)不同取向差的百分含量及界面長度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖4和表2中可以看出，隨著退火時(shí)間的延長小角度晶界逐漸減少，大角度晶界的比例逐漸增加，在晶粒內(nèi)部有較多的亞晶界，這是由于隨退火時(shí)間的延長合金發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，位錯(cuò)密度降低，纏結(jié)規(guī)整化，形成大量的亞晶及亞晶界。

表2 不同退火制度板材中相鄰晶粒間不同取向差百分含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Percentage statistics of different orientation difference between adjacent grains in different annealing processes

圖3 試驗(yàn)合金冷軋板經(jīng)290 ℃不同時(shí)間退火后的晶粒形貌Fig.3 Grain morphologies of cold rolled sheet annealed at 290 ℃ for different time

圖5是試驗(yàn)合金冷軋態(tài)及冷軋板經(jīng)不同退火制度處理后的透射照片。從圖5a可知，冷軋板的組織中存在大量位錯(cuò)纏結(jié)，板材的加工硬化效果增強(qiáng)，合金的強(qiáng)度得到提升，但內(nèi)部有很大的內(nèi)應(yīng)力，影響板材的加工。從圖5b、c、d可知，在退火態(tài)合金內(nèi)部的位錯(cuò)隨著退火時(shí)間的延長基本消失，合金發(fā)生再結(jié)晶，其強(qiáng)度急劇下降，塑性上升，其組織仍為不完全再結(jié)晶組織，隨著保溫時(shí)間的延長，基體的應(yīng)變逐漸減弱。

圖4 試驗(yàn)合金冷軋板經(jīng)290 ℃不同時(shí)間退火后晶界重構(gòu)圖Fig.4 Grain boundary reconstruction of cold rolled sheet of experimental alloy annealed at 290 ℃ for different time

2.3 穩(wěn)定化退火制度對(duì)合金腐蝕性能的影響

對(duì)試驗(yàn)合金冷軋后不同退火制度處理的板材進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。將試樣磨光表面后用丙酮、乙醇清洗，測量試樣各個(gè)尺寸(精確到0.02 mm)，計(jì)算出其表面積，在80 ℃的NaOH水溶液中浸蝕1 min，用水洗凈后，再浸入w(HNO3)=70%的溶液中剝膜30 s，再水洗，晾干，稱重。在30 ℃恒溫w(HNO3)=70%～72%的溶液中全浸24 h ，取出試樣，用刷子清洗，同時(shí)流水沖洗，在空氣中晾干，經(jīng)多次清洗稱重獲得恒重，最后計(jì)算出樣品的單位面積失重值(mg/cm2)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)合金的晶間腐蝕的失重值小于15 mg/cm2；隨著退火時(shí)間的增加，合金的晶間腐蝕失重值逐漸減少，對(duì)晶間腐蝕不敏感，具有良好的抗腐蝕性能。這可能是因?yàn)殡S著穩(wěn)定化退火時(shí)間的延長，基體的位錯(cuò)密度持續(xù)下降，形成大量的亞晶并發(fā)生局部再結(jié)晶，腐蝕速率下降，晶間腐蝕性能得到改善。

為了考察該合金材料在惡劣的使用環(huán)境下的抗腐蝕性能，在試驗(yàn)室進(jìn)行了100 ℃保溫7天的敏化處理試驗(yàn)，也就是用來加速材料的腐蝕，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)合金板材在不同處理狀態(tài)的晶間腐蝕試驗(yàn)失重值Table 3 Weight loss value of intergranular corrosion test of test alloy plate in different treatment conditions

從表3看出，敏化后合金的晶間腐蝕失重值急劇增加；但是290 ℃45 min、290 ℃60 min退火的試樣在敏化處理后的腐蝕失重值小于15 mg/cm2，比290 ℃15 min、290 ℃30 min退火試樣的小一些。

圖5 冷軋態(tài)及經(jīng)不同退火制度處理的板材透射組織Fig.5 Transmission structure of cold rolled sheet and sheets annealed with different processes

3 結(jié) 論

對(duì)Al-4.5Mg-0.7Mn-0.2Er合金冷軋板進(jìn)行290 ℃不同保溫時(shí)間的穩(wěn)定化退火試驗(yàn)，檢測其組織、性能，得出以下結(jié)論：

1)隨著退火時(shí)間延長，板材強(qiáng)度呈下降趨勢，伸長率上升。

2)隨著退火時(shí)間延長，板材組織中的小角度晶界逐漸減少，大角度晶界的比例逐漸增加。

3)隨著退火時(shí)間延長，板材的晶間腐蝕質(zhì)量損失呈下降趨勢。

4)經(jīng)100 ℃7天敏化處理后，在290 ℃45 min、290 ℃60 min退火的板材的晶間腐蝕質(zhì)量損失值小于15 mg/cm2。

5)在本試驗(yàn)工藝參數(shù)范圍內(nèi)，試驗(yàn)合金冷軋板材最佳的穩(wěn)定化退火工藝制度為290 ℃保溫45 min。