羅 勇， 許曉靜， 張允康， 宋 濤， 王宏宇，張振強， 張福豹， 吳桂潮， 吳 瑤

（江蘇大學先進成形技術研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

7×××系（Al-Zn-Mg-Cu系）鋁合金是現代航空航天、武器裝備等領域發(fā)展必不可少的關鍵結構材料。7×××系鋁合金正向著高強高韌耐腐蝕高淬透性方向發(fā)展［1～3］。在7×××系鋁合金中保持較高的Zn/Mg比是得到良好抗腐蝕性、淬透性的基礎。美國Alcoa公司上個世紀90年代未本世紀初研發(fā)的7085鋁合金，其基本成分為Al-7.0～8.0Zn-1.2～1.8Mg-1.3～2.0Cu-0.08～0.15Zr，其 Zn/Mg比的平均值為5.0，是目前所有7×××系鋁合金中最高的。該合金被稱為是一種新一代高強高損傷容限低淬火敏感性鋁合金，用該合金鍛造的A380飛機翼梁和翼肋是目前國際上最大的模鍛件［4，5］。我國“大飛機項目”已經啟動，而7085等高端鋁合金的研發(fā)嚴重落后，相關研究工作極少。

7085鋁合金合金化程度高，粗大第二相多。微合金化和強化固溶處理是改善7×××系鋁合金組織和性能的常用手段。Sr元素的微合金化能有效凈化合金熔體、細化粗大第二相，阻礙再結晶和晶粒長大，提高合金的性能［6～9］。逐步升溫式強化固溶處理工藝能在避免合金發(fā)生過燒的前提下，顯著溶解合金中的粗大第二相，大幅提高合金的性能。

大型民用飛機一般都用于長途飛行，環(huán)境比較惡劣，抗腐蝕性能是考察7×××系航空鋁合金性能的一項重要指標。為此，本工作研究強化固溶處理對一種含Sr 7085型鋁合金組織、硬度、電導率、晶間腐蝕和剝落腐蝕性能的影響。

1 材料制備與實驗方法

本研究所用含Sr 7085型鋁合金的化學成分列于表1（德國SPECTRO MAXX光譜儀實測）。材料制備所用原料為A00鋁（99.79%，質量分數，下同），工業(yè)純 Mg（99.9%），工業(yè)純 Zn（99.9%），Al-50Cu，Al-4Zr，Al-10Sr及 Al-2Sc中間合金。熔煉溫度為700～740℃，澆注在平均直徑約200 mm的鑄鐵模中，鑄錠質量大約為45 kg。

表1 合金化學成分分析結果（質量分數/%）Table 1 Measured chemical composition of alloy（mass fraction/%）

對鑄錠進行均質化退火和壓縮變形加工處理。其均質化退火工藝為475℃/24 h，其壓縮變形加工工藝為在電阻爐加熱到430℃并保溫1 h后在液壓機上壓縮變形加工，變形量約為150%。試驗固溶工藝采用常規(guī)固溶（470℃/2 h）和強化固溶（470℃/2 h+480℃/2 h+490℃/2 h）熱處理，冷水（水溫大約5℃）淬火，然后統(tǒng)一采用傳統(tǒng)T6時效處理，即在121℃保溫24 h。

顯微硬度測試在HV-1000型上進行，所用載荷為200 g，加載持續(xù)時間為25 s，每個試樣測量5次并取平均值;電導率用7501型渦流電導儀測定;微觀形貌觀察在Nikon EPIPHOH 300金相顯微鏡和JEOL JSM-7001F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）上進行。

金相試樣經磨平、拋光后，采用Graff Sargent試劑浸蝕（1 mL HF+16 mL HNO3+3 g CrO3+83 mL蒸餾水）。晶間腐蝕試驗按照GB 7998-2005標準［10］和 ASTM G110-1992（1997）標準［11］進行，試樣依次用 120#，280#，500#和 800#金相砂紙磨平、拋光，然后用丙酮對試樣進行超聲波清洗去油，最后用清水洗凈吹干，處理后的試樣垂直懸掛在腐蝕液（NaCl 57 g/L+HCl 10 mL/L，加蒸餾水至1 L）中，浸泡6 h，實驗溫度保持在（35±3）℃，面容比小于20 mm2/mL，避免試樣與容器及試樣之間相互接觸，腐蝕后的試樣用水洗凈吹干。晶間腐蝕評價等級:最大深度不超過0.01 mm為一級;介于0.01～0.03 mm為二級;介于0.03～0.10 mm為三級;介于0.10～0.30 mm為四級;超過0.30 mm為五級。剝落腐蝕（EXCO）試驗按照 GB/T 22639—2008 標準［12］和ASTM G34-2001標準［13］進行，試樣依次經過砂紙磨平、拋光、丙酮除油、去離子水清洗吹干，然后將試樣垂直懸掛在EXCO溶液中（NaCl、KNO3和HNO3的濃度分別為4.0 mol/L，0.5 mol/L和0.1 mol/L，溶劑為蒸餾水），實驗溫度恒定為（25±3）℃，腐蝕介質體積與腐蝕面面積之比為20 mm2/mL，避免試樣與容器及試樣之間相互接觸，在保溫箱浸泡48 h后取出觀察，腐蝕后的試樣用蒸餾水洗凈吹干，采用數碼相機記錄剝蝕整體宏觀形貌。評級代號:N腐蝕不嚴重;表面上有微腐蝕或脫色現象;PA表面輕微的點蝕;PB表面點蝕嚴重;PC表面呈嚴重點蝕，出現皰疤、爆皮，并輕微的深入試樣表面;EA，EB，EC，ED分別代表剝落腐蝕逐漸加重。

2 實驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1所示為常規(guī)固溶和強化固溶合金經傳統(tǒng)T6處理后的光學金相組織?？梢钥闯?，經常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效處理后的合金顯微組織中存在大量難溶粗大第二相（圖1a中箭頭處），而經強化固溶傳統(tǒng)T6時效處理后的合金的顯微組織中難溶粗大第二相明顯減少（圖1b中箭頭處），并且盡管本強化固溶處理制度溫度高、時間長，但合金仍處于未充分再結晶狀態(tài)。

圖1 7085型鋁合金的光學顯微組織Fig.1 Microstructures of 7085 Aluminum alloy （a）conventional solution+conventional T6;（b）enhanced solution+conventional T6

圖2所示為常規(guī)固溶和強化固溶合金經傳統(tǒng)T6處理后的金相組織SEM照片。從圖2a中可以看出，常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效合金晶界被連續(xù)腐蝕，這是由于第二相在晶界數量多所致。從圖2b中可以看出，強化固溶傳統(tǒng)T6時效合金由于第二相數量少、在晶界的分布較離散，晶界不呈連續(xù)被腐蝕的形態(tài)。

2.2 硬度與電導率測試

表2列出了合金的硬度和電導率。鋁合金的硬度和電導率性能分別反映合金的強度和抗應力腐蝕性能，且都存在正相關性，即硬度和電導率越高合金的強度和抗應力腐蝕性能越好。對比表2中數據可知，與常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效合金相比，強化固溶傳統(tǒng)T6時效處理后的合金，其硬度略微下降，電導率稍有提高，說明相對于常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效合金，強化固溶傳統(tǒng)T6時效處理合金處于相對過時效狀態(tài)。

圖2 7085型鋁合金的SEM形貌Fig.2 SEM images of 7085 Aluminum alloy （a）conventional solution+conventional T6;（b）enhanced solution+conventional T6

表2 7085型合金的硬度和電導率Table 2 The hardness and electric conductivity of 7085 Aluminum alloy

2.3 晶間腐蝕

圖3所示為經傳統(tǒng)T6處理的7085型鋁合金晶間腐蝕橫截面金相照片?？梢钥闯觯囼灪辖鸾洸煌倘芄に嘥6處理后在腐蝕溶液中浸泡6 h后都發(fā)生了不同程度的腐蝕，腐蝕都以點蝕為主，晶間腐蝕傾向都較輕，相比之下，強化固溶合金的點蝕和晶間腐蝕更小。圖3中的一些黑色線不是晶間腐蝕產生的，是合金鑄態(tài)疏松未被充分壓合所致。將點蝕計算在內試驗合金經常規(guī)固溶T6處理后的晶間腐蝕深度（約為89.29μm）較大，其腐蝕等級為三級;而經強化固溶T6處理后的晶間腐蝕深度（約為27.97μm）明顯減小，其腐蝕等級為二級，說明強化固溶處理顯著提高了7085型合金的抗點蝕和抗晶間腐蝕性能。

圖3 7085型鋁合金的晶間腐蝕金相圖Fig.3 Intergranular corrosion metallographs of 7085 Aluminum alloy （a）conventional solution+conventional T6;（b）enhanced solution+conventional T6

2.4 剝落腐蝕

圖4所示為經傳統(tǒng)T6處理7085型鋁合金在EXCO溶液中浸泡48 h后表面宏觀照片。可以看出，在剝落腐蝕溶液的浸泡腐蝕過程中，合金均產生了不同程度的剝蝕。經常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效處理合金腐蝕面積較大，溶液中有大量剝蝕產物，剝蝕等級為EC，而經強化固溶傳統(tǒng)T6時效處理合金腐蝕面積明顯較小，溶液中剝蝕產物很少，剝蝕等級為EA+級。抗剝落腐蝕性能與文獻［14，15］研究結果相似。由此可見，強化固溶是提高7085鋁合金抗剝落腐蝕性能的有效手段。

圖4 7085型鋁合金在剝落腐蝕溶液中浸泡48 h后的宏觀照片Fig.4 Exfoliation corrosion morphologies of 7085 type Al alloys immersed in EXCO solution for 48 h

圖5所示為經傳統(tǒng)T6處理7085型鋁合金在EXCO溶液中浸泡48 h后表面微觀金相形貌?？梢钥闯?，經常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效處理合金腐蝕面積較大，表面鼓泡已全部裂開、分層并向金屬內部縱深發(fā)展，而經強化固溶傳統(tǒng)T6時效處理合金表面腐蝕程度明顯減小，剝落腐蝕傾向較輕，主要表現為較均勻的點狀腐蝕。

3 討論

與常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6時效相比，強化固溶傳統(tǒng)T6時效顯著提高了含Sr 7085型鋁合金的抗腐蝕性能，其原因主要有以下幾個方面。

（1）一方面，Sr元素的微合金化能有效凈化合金熔體、去除雜質、碎化粗大難溶第二相，有助于合金在固溶時粗大第二相的溶解;另一方面強化固溶處理顯著減少了合金中的粗大第二相（圖1），減少了合金中的點腐蝕源，由于晶間腐蝕與剝落腐蝕通常起源于點腐蝕（圖3，圖5），因此點腐蝕敏感性的降低，必然會導致抗晶間腐蝕與剝落腐蝕性能的提高。

圖5 7085型鋁合金在剝落腐蝕溶液中浸泡48 h后的金相形貌Fig.5 Exfoliation corrosion metallographs of 7085 Aluminum alloy immersed in EXCO solution for 48 h

（2）強化固溶處理使合金經傳統(tǒng)T6處理后，晶界第二相明顯減少（圖2），這一方面與強化固溶處理減少了合金中粗大第二相有關，另一方面與強化固溶處理增加了合金的固溶程度，增強了相變驅動力，加速了時效動力學，使合金呈相對過時效狀態(tài)（表2），時效析出相在晶界區(qū)呈相對不連續(xù)狀態(tài)分布（圖2）有關。

（3）強化固溶處理提高了合金內部成分均勻性，同時Sr元素的微合金化能減小Mg元素的偏析程度［18］，進一步改善合金內部成分均勻性。鋁合金晶間腐蝕主要是電化學腐蝕，是晶界析出相或晶界無沉淀析出帶的陽極溶解所致，析出物與基體或晶界附近貧化區(qū)電位不完全相同，構成微腐蝕電池，發(fā)生沿晶腐蝕［16，17］。因此合金成分均勻性高可以縮小晶粒和晶界的電位差，阻礙腐蝕微電池的形成，降低了晶間腐蝕敏感性。

（4）文獻［19］表明，Sr元素對合金晶粒細化、第二相改性和合金的耐熱性有著顯著的改善作用，微量Sr元素的添加會導致離異Al-Sr二元相和A1-Mg-Sr三元相的形成，而這些相被認為是合金高溫耐熱性能（抗蠕變）提高的原因所在。對于本含Sr 7085型鋁合金，Sr元素有助于合金經固溶，特別是強化固溶處理后，晶粒不會發(fā)生嚴重粗化，組織中仍存有大量未再結晶組織（圖1），屬于較理想的強韌性與抗腐蝕性相配合的狀態(tài)，保證了合金中存在大量小角度晶界，與大角度晶界或再結晶晶粒晶界相比，小角度晶界的能量低，晶界與晶內的電位差小，時效析出相在小角度晶界上的富集程度遠低于大角度晶界或再結晶晶粒晶界的富集程度，不易形成連續(xù)的晶界析出相，有利于合金抗腐蝕性能的提高［20，21］。此外，由于剝落腐蝕一般是由晶間腐蝕發(fā)展而來，并且易于在扁平的組織中發(fā)生，由于本強化固溶處理的溫度高，時間長，其組織狀態(tài)相對于常規(guī)固溶處理，晶粒的等軸性必然得到改善，降低了剝落腐蝕敏感性。

4 結論

（1）與常規(guī)固溶處理（470℃/2 h）相比，強化固溶處理（470℃/2 h+480℃/2 h+490℃/2 h）能顯著減少含Sr 7085型鋁合金（Al-7.95Zn-1.80Mg-1.59Cu-0.15Zr-0.024Sr）中的粗大第二相，減少點腐蝕源。

（2）與常規(guī)固溶傳統(tǒng)T6（121℃/24 h）處理相比，合金經本強化固溶傳統(tǒng)T6處理后，硬度略微降低、電導率有所提高，合金處于相對過時效狀態(tài)。

（3）強化固溶處理顯著提高了合金的抗晶間腐蝕和剝落腐蝕性能，包含點蝕在內合金的最大晶間腐蝕深度約為27.97 μm，按照 GB 7998—2005標準，其晶間腐蝕等級達到二級;按照GB/T 22639—2008標準，其剝落腐蝕等級達到EA+級。

（4）強化固溶處理提高合金傳統(tǒng)T6態(tài)的抗腐蝕性能，與其減少了合金中粗大第二相腐蝕裂紋源、均勻化了合金成分、加速了合金的時效、提高了合金的等軸性以及合金處于未充分再結晶狀態(tài)等因素有關。

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