7A41鋁合金的力學(xué)性能和耐蝕性能

池海濤， 劉馥兵， 胡曉光

(1. 福建祥鑫股份有限公司， 福建 閩侯 350119; 2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司， 北京 100055)

7×××系鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、斷裂韌性高等綜合優(yōu)異性能，逐漸成為航空航天、國防軍工、軌道交通等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料之一[1-6]。如7003、7046等合金在汽車保險杠等結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用，通過增量添加Zn、Mg、Cu和稀有合金元素Sc等合金元素的超高強(qiáng)7×××系 合金如7050/7055等合金也廣泛地應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件中[7-11]。電力領(lǐng)域輸電桿塔的結(jié)構(gòu)材料通常為Q390和Q420等鋼材[12-13]，鋼材在應(yīng)用過程中需要鍍鋅以保證耐蝕性能，但是同時會污染環(huán)境，此外，在山地等交通不便的位置安裝輸電塔時，也增加了運(yùn)輸難度和運(yùn)輸成本，因此，也對輸電桿塔提出了輕量化要求，而7×××鋁合金是可選擇的材料之一。

7A41鋁合金是7×××系鋁合金的新牌號，合金設(shè)計(jì)思路是在Al-Zn-Mg合金中加入少量的Cu元素，主要考慮兩個方面：一方面是Cu可溶入η′及η相中，使晶內(nèi)與晶界的電位差降低，從而提高材料的耐蝕性能，同時Cu元素能提高強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)，從而提高合金強(qiáng)度，滿足力學(xué)性能要求；另一方面需要考慮Cu的過多增加會顯著增加合金的淬火敏感性，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)合金的在線淬火而增加合金成本[14-18]。7A41鋁合金綜合性能優(yōu)異，非常適用于制造新型鋁合金輸電桿塔結(jié)構(gòu)。輸電桿塔長期暴露于室外，環(huán)境復(fù)雜，尤其是處于沿海地區(qū)對材料本身的耐蝕性能提出了更高的要求，而合金耐腐蝕性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到輸電桿塔的使用壽命。

本文主要對合金的力學(xué)性能、耐應(yīng)力腐蝕和鹽霧腐蝕性能進(jìn)行了測試，對合金的微觀組織特征進(jìn)行了表征，對該合金的綜合性能進(jìn)行了評價，為合金成分優(yōu)化和綜合性能的改善提供了建議。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

以純鋁錠、Zn錠、Mg錠、Al-10Mn、Al-50Cu和Al-10Zr等中間合金為原料，采用500 kg的電阻爐進(jìn)行熔煉制備7A41鋁合金鑄錠，鑄錠尺寸為φ152 mm×550 mm，利用ARL3460 OES型熱電直讀光譜儀進(jìn)行合金成分的測試，7A41鋁合金牌號的成分范圍和本文實(shí)際的合金元素含量如表1所示。對7A41鋁合金鑄錠進(jìn)行二級均勻化制度，具體參數(shù)為410 ℃×6 h+455 ℃×8 h。利用11MN的擠壓機(jī)將7A41鋁合金鑄錠擠壓成鋁合金型材(L40 mm×4 mm角型材)，根據(jù)該合金的成分特性，設(shè)計(jì)如下制造工藝：熱擠壓溫度為430 ℃，擠壓比為20。擠壓型材出口處采用在線淬火工藝對合金進(jìn)行在固溶處理，型材冷卻后將其進(jìn)行雙級時效處理，時效工藝為125 ℃×8 h+165 ℃×4 h。

表1 7A41鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1為7A41鋁合金T6態(tài)擠壓型材的顯微組織。從圖1可以看出，縱向和橫向均顯示出了典型的鋁合金擠壓型材組織特征：沿縱向觀察(見圖1(a))，晶粒呈長條狀，具有典型的擠壓織構(gòu)，沿軸向觀察(見圖1(b))，絕大多數(shù)晶?；旧蠟榈容S狀且細(xì)小均勻。此外，在金相照片中還能觀察到合金組織中含有大量彌散分布的強(qiáng)化相。

圖1 T6態(tài)7A41鋁合金的顯微組織

1.2 試驗(yàn)方法

1)力學(xué)性能測試 利用線切割將7A41鋁合金型材沿縱向切割成拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示，并利用1000號砂紙將試樣打磨光亮。拉伸試驗(yàn)在室溫下采用Instron3369力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為2 mm/min，拉伸試樣標(biāo)距為60 mm，對試樣進(jìn)行3組平行拉伸檢測，測試后取平均值。

圖2 常溫拉伸試樣尺寸

(1)

式中：σfω在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度，MPa；σfA在惰性介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度，MPa；δfω在惰性介質(zhì)中的斷裂伸長率，%；δfA在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂伸長率，%。ISSRT從0→1，表示應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性逐漸增加。

3)鹽霧腐蝕性能測試 鹽霧腐蝕試樣尺寸180 mm×60 mm×3 mm，試驗(yàn)前試樣表面用酒精擦拭干凈。氯化鈉溶液濃度為(50±5) g/L。將試樣放入鹽霧箱中，試驗(yàn)溫度為35 ℃，噴霧壓力為1 kPa，試樣被測試表面與垂直方向成15°～25°。試驗(yàn)周期可選擇2、6、24、48、72、96、144、168、240、480、720和1000 h。試驗(yàn)結(jié)束后取出試樣，清洗吹干后觀察試樣表面。根據(jù)試驗(yàn)外觀、腐蝕缺陷分布情況、腐蝕時間節(jié)點(diǎn)、質(zhì)量變化、力學(xué)性能變化等進(jìn)行評價。

4)微觀組織表征 利用Observer.A1m蔡司光學(xué)顯微鏡對合金顯微組織進(jìn)行基本表征，利用Tecnai F2F30 場發(fā)射透射電鏡(Transmission electron microscope, TEM)分析7A41鋁合金T6狀態(tài)下的微觀組織特征，對合金的析出相、晶界特征進(jìn)行表征，透射電鏡的加速電壓為300 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拉伸性能與斷口

T6態(tài)7A41鋁合金拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，力學(xué)性能如表2所示。從測試結(jié)果可以看出，7A41鋁合金力學(xué)性能十分優(yōu)異，平均抗拉強(qiáng)度為505 MPa，平均屈服強(qiáng)度為474 MPa，伸長率為16.3%。拉伸性能測試后對拉伸試樣斷口進(jìn)行了表征，如圖4所示。7A41鋁合金斷裂面平整，基本上沿切向45°斷裂，而且斷口出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象。由高倍SEM斷口照片發(fā)現(xiàn)，合金呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征，斷口處分布著大量尺寸不同的韌窩，在部分韌窩底部還可以發(fā)現(xiàn)明顯存在的第二相顆粒(見圖4(b)箭頭指示的位置)。

圖3 T6態(tài)7A41鋁合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 T6態(tài)7A41鋁合金拉伸斷口形貌

表2 T6態(tài)7A41鋁合金力學(xué)性能

2.2 耐應(yīng)力腐蝕性能

表3為T6態(tài)7A41鋁合金試樣分別在硅油和3.5wt%NaCl 腐蝕液中慢拉伸力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果和應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果，可以看出，7A41鋁合金在硅油和3.5wt%NaCl腐蝕液中的強(qiáng)度幾乎相同，但是伸長率從17.96%降低至13.82%。經(jīng)過計(jì)算后合金的應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)為3.98%，小于5%，可見T6態(tài)7A41鋁合金無明顯的應(yīng)力腐蝕特征。圖5為在3.5wt%NaCl 腐蝕液中的試樣斷口照片，從圖5可以看出，試樣在腐蝕環(huán)境條件下，試樣側(cè)表面呈現(xiàn)了剪切韌窩的斷裂特征，而斷口中心處則呈現(xiàn)韌窩特征，這與7A41鋁合金較低的應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)相對應(yīng)。

表3 T6態(tài)7A41鋁合金應(yīng)力腐蝕測試結(jié)果

圖5 T6態(tài)7A41鋁合金應(yīng)力腐蝕試樣斷口形貌

2.3 耐鹽霧腐蝕性能

T6態(tài)7A41鋁合金鹽霧腐蝕試樣經(jīng)過清洗后，稱量腐蝕試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化，利用冪函數(shù)M=Dtn擬合得到腐蝕質(zhì)量損失隨時間的變化曲線，如圖6所示。其中M為質(zhì)量損失，t為腐蝕時間，D和n為常數(shù)，D值越小證明材料的耐蝕性能越好，n值則是材料腐蝕速率的體現(xiàn)。同時，也測試了經(jīng)過陽極氧化(鍍膜厚度為10 μm和15 μm)后7A41鋁合金的耐蝕性能。圖6中對不同試樣的腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時間的關(guān)系進(jìn)行了曲線的擬合。3種試樣擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9807、0.9785和0.9878，相關(guān)度較高，7A41鋁合金的腐蝕動力學(xué)較好地遵循冪函數(shù)的變化規(guī)律。從圖6曲線的變化規(guī)律中可以看出，隨著腐蝕時間的增加，合金的腐蝕速率基本保持不變，這表明經(jīng)鹽霧腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物沒有附著于合金表面，無法形成保護(hù)膜而發(fā)揮保護(hù)作用。經(jīng)過陽極氧化處理后，鍍有 10 μm 和15 μm氧化膜試樣的擬合曲線中n值均低于7A41鋁合金基材，可見經(jīng)過陽極氧化處理后，合金的耐蝕性能提高。在合金腐蝕過程中測量合金質(zhì)量的變化規(guī)律，經(jīng)過計(jì)算，合金的鹽霧腐蝕速度為0.0914 mm/y。除此以外，擬合曲線的建立有助于對7A41鋁合金腐蝕壽命進(jìn)行預(yù)測。

圖6 T6態(tài)7A41鋁合金鹽霧腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時間的關(guān)系曲線

經(jīng)過鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，對合金的腐蝕表面進(jìn)行了表征。從圖7腐蝕后的表面形貌可以看出，經(jīng)過鹽霧腐蝕后，部分合金表面出現(xiàn)腐蝕坑，如圖7(a)所示，而且在其進(jìn)一步放大的照片(見圖7(b))可以看出腐蝕坑內(nèi)部分位置被嚴(yán)重腐蝕。隨著腐蝕時間延長至720 h，腐蝕表面附著了大量的腐蝕產(chǎn)物，同時可以發(fā)現(xiàn)，合金表面幾乎不存在未被腐蝕的位置(如圖7(c)所示)。由此可以推斷，鹽霧腐蝕發(fā)生時，首先在合金表面發(fā)生了點(diǎn)蝕，形成點(diǎn)蝕坑，隨著腐蝕時間的增加，點(diǎn)蝕坑的數(shù)量在逐漸增多，點(diǎn)蝕坑逐漸連接成片，造成如圖7(d)所示的形貌特征。此外，腐蝕試樣表面形成點(diǎn)蝕坑后，裂紋容易在點(diǎn)蝕坑周圍萌生，導(dǎo)致合金的綜合力學(xué)性能降低。表3中數(shù)據(jù)顯示7A41鋁合金的力學(xué)性能指標(biāo)稍有降低。

圖7 T6態(tài)7A41鋁合金經(jīng)不同時間鹽霧腐蝕后的表面形貌

2.4 微觀組織表征

7A41鋁合金優(yōu)良的力學(xué)性能和腐蝕性能必然與其組織特征是相對應(yīng)的，本研究中7A41合金采用了雙級時效處理工藝，其有助于合金晶粒內(nèi)部形成T6態(tài)組織，而晶界處則形成非連續(xù)的析出相組織特征[19-21]。圖8為7A41鋁合金的TEM觀察結(jié)果。圖8(a)的視野中，存在4個晶粒和4條晶界，晶界處可以觀察到非連續(xù)的析出相存在。圖8(b)為圖8(a)中部分區(qū)域的放大圖像，從圖8(b)可以看出，此時晶界處分布了尺寸在20～50 nm范圍內(nèi)的晶界非連續(xù)析出相，這是合金具備優(yōu)良耐蝕性能的主要原因。在合金晶粒內(nèi)部也分布著大量細(xì)小的析出相，這部分析出相的存在也是合金具備優(yōu)良力學(xué)性能的重要原因。

圖8 雙級時效制度7A41鋁合金晶界及晶界析出相特征

圖9為T6態(tài)7A41鋁合金晶內(nèi)和晶界TEM照片，從圖9(a)中可以看出，部分晶內(nèi)的析出相發(fā)生了明顯的長大現(xiàn)象，大尺寸的晶內(nèi)析出相周圍出現(xiàn)了無析出區(qū)域。進(jìn)一步對合金晶界結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)晶界處非連續(xù)析出相的存在致使晶界附近出現(xiàn)了寬度約為50 nm 的無析出帶。本文中合金力學(xué)性能和耐蝕性能優(yōu)異，也證明了此7A41鋁合金的組織特征非常理想。7A41鋁合金優(yōu)良綜合性能和微觀組織特征的表征為后續(xù)高強(qiáng)耐蝕7×××系鋁合金的開發(fā)提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

圖9 7A41鋁合金雙級時效狀態(tài)晶內(nèi)(a)和晶界特征(b)TEM照片

3 結(jié)論

1) 7A41鋁合金經(jīng)過在線淬火和時效處理后，力學(xué)性能優(yōu)異，其中抗拉強(qiáng)度為505 MPa，屈服強(qiáng)度為474 MPa，伸長率為16.3%。

2) T6態(tài)7A41鋁合金的應(yīng)力腐蝕指數(shù)為3.98%，未呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，腐蝕試樣斷口的特征主要為剪切韌性斷裂。

3) T6態(tài)7A41鋁合金的鹽霧腐蝕動力學(xué)遵循冪函數(shù)變化規(guī)律，鹽霧腐蝕形貌以點(diǎn)蝕坑為主，隨著腐蝕時間的增加，點(diǎn)蝕坑的數(shù)量和面積增加。經(jīng)陽極氧化處理后，合金的耐蝕性能顯著提高。

4) T6態(tài)7A41鋁合金晶內(nèi)和晶界上分布著不同形態(tài)和尺寸的析出相，其中，晶內(nèi)細(xì)小彌散分布的點(diǎn)狀析出相保證合金高強(qiáng)度和高伸長率；晶界處分布尺寸為20～50 nm的非連續(xù)析出相，保證了合金優(yōu)良的耐蝕性能。