船用5083 和5059 鋁合金板材耐腐蝕性能對(duì)比研究

劉 蒙

(中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 100006)

0 引 言

5 字頭系列鋁合金由于具有優(yōu)良的耐腐蝕性、機(jī)加工成形性、焊接性和具有較好的強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在大型艦艇的上層建筑、航空母艦的飛行甲板以及全鋁海洋船的船體結(jié)構(gòu)上[1]。使用鋁合金板代替常規(guī)鋼板作船體材料，不僅可以減輕船體重量，還可以彌補(bǔ)鋼板在服役期間因銹蝕而引起的失效[2]。5083 鋁合金是目前船舶制造中應(yīng)用較為廣泛的一種合金，但是隨著社會(huì)對(duì)船舶強(qiáng)度和速度要求的提高，該合金很難滿足使用性能的要求，因此制造廠家開(kāi)始考慮其他新型耐蝕合金，如含Mg 量更高的5059 合金。

5083 合金和5059 合金均屬于不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，其主要強(qiáng)化手段是加工硬化，加工工藝一般是經(jīng)過(guò)熔煉后進(jìn)行熱軋、冷軋等工序成為板材，然后穩(wěn)定化處理[3]，以達(dá)到H116 狀態(tài)來(lái)滿足合金的耐腐蝕性能。研究表明穩(wěn)定化退火工藝影響合金的化合物分布狀態(tài)、組織構(gòu)成等，進(jìn)而影響合金的耐蝕性能，影響合金的耐腐蝕性能的因素主要有金相學(xué)因素及電化學(xué)因素。德國(guó)Corus 公司針對(duì)5083 和5059 合金進(jìn)行了力學(xué)性能、焊接性能、腐蝕性能的對(duì)比試驗(yàn)，但結(jié)果僅局限于宏觀的描述了2 種合金的性能差別，本文通過(guò)對(duì)比2 種合金的剝落腐蝕性能、晶間腐蝕性能，結(jié)合合金在化學(xué)成分、金相組織及化合物組成上的差別，系統(tǒng)分析2 種合金耐剝落腐蝕及晶間腐蝕程度差別的原因，找出合金組織對(duì)耐腐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料來(lái)自國(guó)外不同廠家生產(chǎn)的5083 和5059 鋁合金，其狀態(tài)均為H116，化學(xué)成分如表1 所示。

表1 5083 和5059 合金的化學(xué)成分（wt/%）Tab.1 5083 and 5059 alloys chemical composition（wt/%）

試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、粗拋、精拋至表面無(wú)劃痕，經(jīng)Keller 試劑（2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O）浸蝕10 s 后觀察合金析出相的分布、大小、數(shù)量；采用陽(yáng)極覆膜設(shè)備對(duì)試樣在常溫下進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，陽(yáng)極覆膜參數(shù)為：電壓20 V，溶液為濃度1.8%的HBF4，覆膜時(shí)間2 min，試樣經(jīng)陽(yáng)極覆膜后能清晰的呈現(xiàn)晶粒的形態(tài)和大小，便于觀察合金的晶粒形狀和尺寸。采用ZEISS Imager M2m 型光學(xué)顯微鏡和ZEISS EVO18 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金顯微組織，SEM 的工作電壓20 kV。

按照ASTM G66 和G67 標(biāo)準(zhǔn)要求，切取尺寸分別為40×100×6 mm 和50×6×7 mm 的試樣進(jìn)行合金的剝落腐蝕和晶間腐蝕試驗(yàn)。用環(huán)氧樹(shù)脂將剝落腐蝕試樣鑲起來(lái)，保留軋面，用800#砂紙磨光亮并防止試樣在磨制過(guò)程過(guò)熱。按照ASTM G66 標(biāo)準(zhǔn)，2 種合金分別置于標(biāo)準(zhǔn)要求恒溫65℃的溶液中，垂直懸掛24 h 后，對(duì)合金的剝落腐蝕進(jìn)行評(píng)級(jí)。根據(jù)腐蝕坑或剝落腐蝕的嚴(yán)重程度，從小到大依次將腐蝕等級(jí)評(píng)定為：N，PA，PB，PC，EA，EB，EC，ED。晶間腐蝕試樣經(jīng)800#砂紙磨光亮，酸洗、堿洗后，在30℃的HNO3（70%～72%wt）溶液中浸泡24 h，測(cè)量試樣腐蝕前后的損失重量。

2 結(jié)果與分析

2.1 剝落腐蝕及晶間腐蝕

2 種合金腐蝕前后宏觀照片如圖1 所示。從試樣的剝落腐蝕狀況可以看出，5083 合金的剝落腐蝕為腐蝕級(jí)別為PC 級(jí)，表面點(diǎn)蝕較嚴(yán)重，并輕微深入試樣表面。5059 合金的腐蝕級(jí)別為N 級(jí)，表面腐蝕不嚴(yán)重。

圖1 5083 和5059 合金剝落腐蝕前后宏觀照片F(xiàn)ig.1 5083 and 5059 alloy before and after exfoliation corrosion macrographs

2 種合金的晶間腐蝕結(jié)果如表2 所示，ε（5059合金）＜ε（5083合金）。因此可以判定5059 合金的耐腐蝕性能高于5083 合金。

表2 5083 和5059 合金的晶間腐蝕失重結(jié)果Tab.2 Weight loss results of intergranular corrosion of 5083 and 5059 alloys

綜合2 種合金的剝落腐蝕和晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，5059 合金的耐蝕性能優(yōu)于5083 合金的耐蝕性能。

2.2 化學(xué)成分對(duì)合金耐蝕性能的影響

5083 和5059 合金在室溫時(shí)的相組成主要是α 固溶體和β 相（Mg2Al3）。合金中固溶體α 電位（?0.89～?0.84 V）較β 相的電位(?1.24 V)高，在電解液中常常會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。有關(guān)研究表明5 字頭系列合金隨著Mg 含量的增加，合金晶界上會(huì)優(yōu)先析出呈陽(yáng)極性的β 相，造成合金具有較大的應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕敏感性[4–6]，會(huì)降低合金的耐腐蝕性能。但楊磊，羅兵輝[7]研究表明在合金中添加適量的Zn 元素，在加工過(guò)程中會(huì)在晶界形成不連續(xù)的β 相（Mg2Al3），且在晶內(nèi)也會(huì)形成彌散均勻分布的β 相（Mg2Al3）。從表1 可以看出，盡管5059 合金的Mg 含量（wt=5.25%）高于5083合金中的Mg 含量（wt=4.72%），但5059 合金的Zn 含量（wt=0.21%）高于5083 合金中的Zn 含量（wt=0.15%），Zn 含量的增加使得5059 鋁合金的抗腐蝕性能不僅沒(méi)有降低，反而比5083 鋁合金的耐腐蝕性能更加優(yōu)秀。

2.3 合金組織對(duì)腐蝕性能的影響

2.3.1 晶粒形態(tài)

圖2 和圖3 分別為5083 和5059 合金在厚度方向上的陽(yáng)極覆膜照片。從圖中可以看出，5083 合金晶粒在邊緣處、厚度1/4 處及中心部位變化不明顯，大多數(shù)晶粒呈現(xiàn)變形的纖維狀組織，而5059 合金晶粒沿邊緣處、厚度1/4 處及中心部位變形的纖維狀組織所占的比例增大，邊緣部位主要為再結(jié)晶組織，中心部位主要為變形的纖維狀組織。

圖2 5083 鋁合金厚度方向上不同部位的晶粒Fig.2 Grain at different positions in the thickness direction of 5083 aluminum alloy

圖3 5059 合金厚度方向上不同部位的晶粒Fig.3 Grain at different positions in the thickness direction of 5059 aluminum alloy

國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金剝落腐蝕機(jī)理研究表明，引起鋁合金剝落腐蝕有2 個(gè)必要條件：一是具有高度定向的纖維組織；二是具有適宜的腐蝕介質(zhì)。Kelly 和Robinson[8–9]研究認(rèn)為，剝落腐蝕的發(fā)生同樣需要具備2 個(gè)條件:一是拉長(zhǎng)的晶粒；二是晶界電偶腐蝕（沉淀相/溶質(zhì)貧化區(qū)）造成的腐蝕通道。此外腐蝕產(chǎn)物所產(chǎn)生的外推力也是鋁合金產(chǎn)生剝落腐蝕的重要影響因素。

由于5083 合金板材因加工成型的特點(diǎn)造成合金表面具有沿軋制方向的變形，并有扁平晶粒結(jié)構(gòu)，因此在腐蝕試驗(yàn)時(shí)容易在合金晶界處形成連續(xù)選擇性陽(yáng)極溶解通道。隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕在變形組織中的蝕坑進(jìn)一步加深，并出現(xiàn)開(kāi)裂。隨著浸泡時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物剝落，同時(shí)使晶界受到外推力作用，加速了合金表面裂紋的萌生與擴(kuò)展，從而造成合金表層開(kāi)裂與剝落，進(jìn)而引起分層剝落現(xiàn)象[10]。而5059 合金邊緣部位為完全再結(jié)晶的等軸晶粒，則不會(huì)產(chǎn)生剝落腐蝕。因此5083 和5059 合金在邊緣處晶粒形態(tài)的不同造成合金的耐剝落腐蝕性能不同。

2.3.2 彌散析出相分布

圖4 和圖5 分別為>5083 和5059 合金金相組織。從圖中可以看出，5083 合金析出相主要沿晶界分布，斷續(xù)程度不明顯，晶內(nèi)彌散析出。5059 合金析出相在基體彌散析出，且呈斷續(xù)均勻分布。

圖4 5083 鋁合金厚度方向上不同部位的金相Fig.4 Metallography of different parts in thickness direction of 5083 aluminum alloy

圖5 5059 鋁合金厚度方向上不同部位的金相Fig.5 Metallography of different parts in thickness direction of 5059 aluminum alloy

鋁合金的晶間腐蝕是在晶粒邊界發(fā)生的一種選擇性腐蝕，由于β 相（Mg2Al3）的電位比鋁合金的基體電位高，從而使晶界與相鄰晶粒之間形成一定的電位差。在5083 合金進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)時(shí)，在晶界上析出的β 相（Mg2Al3）增加了材料形成局部腐蝕原電池的傾向，故而出現(xiàn)了晶間腐蝕的現(xiàn)象。5083 合金由于在晶界析出連續(xù)β 相（Mg2Al3），造成晶間腐蝕性能相對(duì)較差，這與一些學(xué)者研究的在Al-Mg 系合金中晶界析出連續(xù)β 相（Mg2Al3）導(dǎo)致鋁合金晶間腐蝕性能較差的結(jié)果是一致的[11–12]。另外5083 合金β 相（Mg2Al3）的形態(tài)及分布對(duì)合金抗腐蝕性能影響很大，沿晶界大量析出的連續(xù)分布的β 相（Mg2Al3），分割了鋁合金的基體，在電解質(zhì)作用下，在鋁合金表面優(yōu)先產(chǎn)生的點(diǎn)腐蝕為起點(diǎn)，沿著β 相（Mg2Al3）在晶界形成的網(wǎng)狀陽(yáng)極腐蝕通道，按照5083 合金邊緣部位是部分再結(jié)晶+變形纖維組織的特點(diǎn)，腐蝕便會(huì)沿著與金屬表面大致平行的方向進(jìn)行擴(kuò)展，最終形成分層剝落的腐蝕特征，造成5083 鋁合金的失重較為嚴(yán)重。

5059 合金則由于β 相（Mg2Al3）在基體中呈現(xiàn)斷續(xù)的彌散分布，在進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)時(shí)，β 相（Mg2Al3）出現(xiàn)的區(qū)域優(yōu)先發(fā)生腐蝕，在無(wú)β 相（Mg2Al3）出現(xiàn)的地方晶間腐蝕則會(huì)停止，所以5059 合金析出相的分布形態(tài)使得該合金耐晶間腐蝕性能良好。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）在5 字頭系列鋁合金中添加適量的Zn 元素，容易在合金晶界形成了不連續(xù)的β 相（Mg2Al3），會(huì)增強(qiáng)鋁合金的耐腐蝕性能。

2）鋁合金表面晶粒的形狀對(duì)耐腐蝕性能有影響。5083 合金的表面具有沿軋制方向變形和扁平的晶粒結(jié)構(gòu)，不利于合金的耐腐蝕性能。5059 合金表面組織為完全再結(jié)晶組織有利于增強(qiáng)合金的耐腐蝕性能。

3）5083 合金析出物β 相（Mg2Al3）主要沿晶界連續(xù)分布，不利于合金的耐腐蝕性能。5059 合金析出物β 相（Mg2Al3）在基體中呈現(xiàn)彌散析出，斷續(xù)均勻分布，有利于合金的耐腐蝕性能。