黃元春，劉 宇，肖政兵，杜志勇

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時(shí)效處理對(duì)Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr合金超聲鑄錠軋件組織與抗腐蝕性能的影響

黃元春，劉 宇，肖政兵，杜志勇

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083)

分別采用T6、T73和RRA 3種時(shí)效制度對(duì)超聲鑄造Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr鋁合金熱軋板進(jìn)行時(shí)效處理，研究時(shí)效制度對(duì)材料的組織、力學(xué)性能與耐腐蝕性能的影響，并與未經(jīng)超聲熔體處理的合金熱軋板進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：對(duì)于超聲鑄造Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr鋁合金的熱軋板，與T6時(shí)效態(tài)合金相比，T73時(shí)效態(tài)合金的抗腐蝕性能較好，但強(qiáng)度顯著降低，RRA狀態(tài)的合金強(qiáng)度與T6態(tài)合金相當(dāng)，抗腐蝕性能顯著提高；相對(duì)于未經(jīng)超聲熔體處理的合金，在超聲波的空化、聲流和機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)的作用下，鑄態(tài)合金的合金元素固溶度以及基體空位濃度都增加，在其組織遺傳效應(yīng)的影響下，采用相同時(shí)效工藝處理后合金中析出相的分布更加均勻但出現(xiàn)部分粗化現(xiàn)象，均勻分布的細(xì)小析出相對(duì)合金的強(qiáng)度有積極影響，粗化的析出相對(duì)合金的強(qiáng)度不利，但能提高合金的耐腐蝕性能。

Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr鋁合金；時(shí)效；微觀組織；耐腐蝕性能

7xxx系A(chǔ)l-Zn-Mg-Cu超高強(qiáng)鋁合金具有高強(qiáng)度、低密度，以及優(yōu)良的比剛度和加工性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1?3]。7085鋁合金是Alcoa公司于2002年開發(fā)注冊(cè)的新一代高強(qiáng)、高淬透性鋁合金。目前在空客A380上大量采用7085鋁合金作為機(jī)翼大梁和翼肋材料，在波音787飛機(jī)上采用7085-T7452鍛件作為翼梁、起落架等重要承力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料。7085合金經(jīng)過T6時(shí)效處理后具備極高的強(qiáng)度是由于其合金化程度較高，時(shí)效過程中析出大量強(qiáng)化相，但同時(shí)晶界分布連續(xù)細(xì)小的析出相給合金的耐腐蝕性能造成不利影響，限制了其應(yīng)用。工業(yè)開發(fā)的T73熱處理工藝雖能在一定程度上提高鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，卻是以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。為提高和改善合金的綜合性能，業(yè)內(nèi)人士圍繞合金成分和熱處理工藝進(jìn)行了大量研究。尹志明和陳送義等[4-5]分別研究了時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)7A52和7085鋁合金的晶間腐蝕和剝落腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：合金的腐蝕敏感性與晶界析出相(MgZn2)及無(wú)沉淀析出帶(PFZ)的特征有關(guān)；晶界析出相呈鏈狀連續(xù)分布時(shí)合金腐蝕敏感性大，晶界析出相尺寸越大，分布越不連續(xù)，PFZ越寬，則合金腐蝕敏感性越??；同時(shí)，相比T6態(tài)，合金經(jīng)T74處理后的抗應(yīng)力腐蝕和抗剝落腐蝕性能提高，但強(qiáng)度顯著降低；經(jīng)RRA處理，合金在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)，抗應(yīng)力腐蝕性能敏感性降低，抗剝落腐蝕性能提高。許曉靜等[6]研究了Sr微合金化對(duì)7085型鋁合金的抗晶間腐蝕性能和剝落腐蝕性能的影響，羅勇等[7]研究了強(qiáng)化固溶處理對(duì)該合金硬度、電導(dǎo)率、抗晶間腐蝕和剝落腐蝕性能的影響，結(jié)果表明：經(jīng)Sr微合金化處理后，合金抗晶間腐蝕性能和抗剝落腐蝕性能都明顯提高；強(qiáng)化固溶處理后合金硬度略微降低、電導(dǎo)率有所提高，抗晶間腐蝕和抗剝落腐蝕性能顯著提高。制備高性能鋁合金構(gòu)件，合金鑄錠的制備雖然不是構(gòu)件制備的最終工藝，但確是構(gòu)件加工的重要環(huán)節(jié)，在制備高冶金質(zhì)量鑄錠的前提下研究熱處理制度對(duì)合金組織和性能的影響對(duì)實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義更大。

為制備高質(zhì)量的鑄錠，研究人員對(duì)合金鑄造施加超聲處理，結(jié)果表明超聲處理能夠有效細(xì)化合金鑄造組織晶粒尺寸，如李英龍等[8]在Al-Si合金凝固結(jié)晶的全過程施加功率超聲，有助于細(xì)化初生Si和共晶Si相，明顯改善合金的強(qiáng)度和塑性。胡化文和陳康華[9?10]等在7055鋁合金澆注前對(duì)熔體施加超聲處理，超聲空化作用有助于細(xì)化晶粒和均勻組織，進(jìn)而提高合金鑄錠的力學(xué)性能，并大幅度改善塑性，且其退火態(tài)力學(xué)性能大幅度提高。但對(duì)于超聲鑄造后續(xù)的變形及熱處理的研究卻鮮有報(bào)道，本文通過對(duì)超聲鑄造鋁合金的熱軋板帶進(jìn)行不同時(shí)效熱處理，研究時(shí)效制度對(duì)合金強(qiáng)度和耐腐蝕性能的影響，同時(shí)對(duì)超聲鑄造對(duì)時(shí)效合金組織和性能的遺傳效應(yīng)進(jìn)行探討，并與未施加超聲處理的合金進(jìn)行對(duì)比，以期為超高強(qiáng)鋁合金性能的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

以高純鋁、純鋅、純鎂和Al-Cu、Al-Zr中間合金為原料，采用熔煉法制備Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu- 0.12Zr鋁合金。熔煉溫度為760~770 ℃，通氬氣進(jìn)行精煉除氣除渣，精煉溫度控制在730~750 ℃，將Al-Ti- B作為晶粒細(xì)化劑澆入結(jié)晶器中。從結(jié)晶器內(nèi)的熔體頂部導(dǎo)入超聲變幅桿，超聲頻率為20 kHz，功率為 1 800 W，在合金熔體凝固前施加超聲。對(duì)鑄錠進(jìn)行475 ℃/24 h的均勻化退火，切塊、銑面，然后由36 mm厚度經(jīng)8個(gè)道次熱軋到7.5 mm，總變形量為80%，軋件熱軋回爐保溫溫度為450 ℃。熱軋樣品經(jīng)470 ℃/2 h固溶水淬后，分別采用3種不同的工藝進(jìn)行時(shí)效處理：1) T6，120 ℃/24 h；2) T73，110 ℃/8 h+163 ℃/10 h；3) RRA，120 ℃/24 h+177 ℃/0.5 h+120 ℃/24 h。將經(jīng)過這3種時(shí)效處理的合金板材分別標(biāo)記為C-T6、C-T73、C-RRA。為考察超聲波對(duì)鑄錠時(shí)效處理后的組織和性能的影響，采用同樣的工藝制備不施加超聲處理的鑄錠，然后進(jìn)行相同的熱軋與時(shí)效處理，將T6、T73和RRA處理后的合金分別標(biāo)記P-T6、P-T73、P-RRA。

1.2 性能測(cè)試與組織觀察

在WPL-300型動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行合金拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min。按照GB/6497-14制備拉伸試樣，每種時(shí)效態(tài)合金板帶取3個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，取平均值。另取小樣，依次用320#、600#、1 200#砂紙打磨后，在HXD-1000TM/LCD數(shù)字式顯微硬度計(jì)上進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，每個(gè)試樣進(jìn)行5次測(cè)量，取算術(shù)平均值。

沿合金板材軋制方向切割尺寸為20 mm×70 mm的長(zhǎng)方形試樣，參照HB5455?90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剝落腐蝕實(shí)驗(yàn)。剝落腐蝕觀察面先用水磨砂紙磨亮，其他5個(gè)面用松香包住。剝落腐蝕液的配方為：234 g NaCl+50 g KNO3+6.3 mL HNO3，加蒸餾水稀釋至1 L，腐蝕液與試樣剝落腐蝕觀察面面積的比值為20 mL/cm2，實(shí)驗(yàn)溫度控制為(25±1) ℃，試樣除實(shí)驗(yàn)面外其余各面均由環(huán)氧樹脂密封，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為48 h。每隔一定時(shí)間取出試樣，觀察和記錄腐蝕情況，用相機(jī)拍攝宏觀腐蝕形貌，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剝落腐蝕等級(jí)評(píng)定，評(píng)級(jí)代號(hào)含義：N為無(wú)明顯腐蝕，PA、PB、PC代表的點(diǎn)蝕程度依次增大，EA、EB、EC和ED代表的剝落腐蝕程度依次增大。

在德系IM6ex電化學(xué)工作站上進(jìn)行極化曲線測(cè)試，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極作為輔助電極，腐蝕溶液為4 mol/L NaCl+0.4 mol/L KNO3+0.1 mol/L HNO3，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試樣表面面積為1 cm2。

利用7501型渦流電導(dǎo)儀測(cè)試合金的電導(dǎo)率。按照GB/T12966-91《鋁合金電導(dǎo)率渦流測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，合金樣品經(jīng)800#、1 000#、1 200#打磨后，用清水洗凈吹干，對(duì)每個(gè)試樣測(cè)量3次，取平均值。

采用TECNAIG220透射電鏡觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)。合金樣品經(jīng)手工磨至80 μm厚度后，沖成直徑為3 mm的圓片進(jìn)行電解雙噴減薄。電解液為甲醇硝酸溶液，其中甲醇與硝酸的體積比為7:3，電解溫度控制在?30~?25 ℃之間，工作電壓為15~20 V，電流為60~ 80 mA。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

表1和表2所列分別為常規(guī)鑄造和超聲鑄造合金鑄錠的熱軋板經(jīng)時(shí)效處理后的拉伸性能和硬度。從表1可見，2種不同的鑄造合金熱軋板都是在T6狀態(tài)下強(qiáng)度最高、塑性較好，T73和RRA態(tài)的強(qiáng)度和塑性都比T6狀態(tài)差，T73態(tài)的強(qiáng)度則顯著降低。超聲鑄錠加工板帶與普通鑄錠加工板帶相比，T6狀態(tài)下的強(qiáng)度相當(dāng)，T73狀態(tài)下強(qiáng)度略低，而經(jīng)RRA處理后的抗拉強(qiáng)度提高10 MPa，伸長(zhǎng)率有小幅增加。

從表2看出，2種鑄造合金熱軋板在T6狀態(tài)下表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)挠捕龋⑶以摖顟B(tài)下硬度最大；在T73、RRA狀態(tài)下合金的硬度大幅度下降，但RRA狀態(tài)下的硬度略高于T73狀態(tài)下的硬度。此外，超聲熔體處理導(dǎo)致合金在T6狀態(tài)下的硬度小幅下降，而在T73和RRA狀態(tài)硬度均提高。

2.2 抗剝落腐蝕性能

圖1所示為不同時(shí)效態(tài)的合金在EXCO溶液中侵泡48 h后的宏觀腐蝕形貌。由圖可知，無(wú)論是P-T6還是C-T6，腐蝕后均出現(xiàn)大面積剝落。經(jīng)過T73和RRA時(shí)效處理后的合金板帶均表現(xiàn)出比T6時(shí)效狀態(tài)下更好的抗剝落腐蝕性能，其中T73時(shí)效狀態(tài)下剝落腐蝕傾向最小，只出現(xiàn)輕微鼓泡和起皮，而RRA時(shí)效狀態(tài)下的合金表面出現(xiàn)起皮、鼓泡和部分腐蝕層脫落現(xiàn)象。采用超聲鑄錠加工的合金板帶的腐蝕略顯均勻。根據(jù)Hb5455-90標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合金的剝落腐蝕程度進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，P-T6、P-T73、P-RRA的腐蝕等級(jí)分別為EC、P+、EA+，C-T6、C-T73、C-RRA的腐蝕等級(jí)分別為EC-、P+、EA。

2.3 極化曲線

極化曲線可用來反映材料的抗均勻腐蝕性能，通常情況下自腐蝕電位越負(fù)，材料的腐蝕傾向越大；自腐蝕電流密度越大，則材料的腐蝕速率越大。圖2所示為不同時(shí)效處理后的合金板帶在EXCO溶液中測(cè)得的極化曲線，對(duì)極化曲線分析得到合金的電化學(xué)參數(shù)列于表3。由圖2可知，在不同時(shí)效處理狀態(tài)下，超聲處理的合金熱軋板帶都較普通鑄錠熱軋板的自腐蝕電位有小幅度提高；不同時(shí)效態(tài)合金的自腐蝕電位相差不大。由此可知，超聲鑄造合金熱軋板表現(xiàn)出較好的抗均勻腐蝕性能，時(shí)效處理制度對(duì)合金的抗均勻腐蝕性能影響較小。

表1 不同時(shí)效態(tài)合金的拉伸性能

Notation: T6—120℃/24 h; T73—110℃/8 h+163℃/10 h; RRA—120℃/24 h+177℃/0.5 h+120℃/24 h

表2 不同時(shí)效態(tài)合金的硬度

圖1 不同時(shí)效態(tài)合金的剝落腐蝕形貌

圖2 不同時(shí)效態(tài)合金的Tafel曲線

由表3可見，T6態(tài)合金的自腐蝕電流密度最大，T73狀態(tài)下的腐蝕電流密度最小，RRA狀態(tài)下的腐蝕電流密度介于二者之間。因此不同時(shí)效狀態(tài)合金的腐蝕速率由大到小為：T6、RRA、T73。超聲鑄錠加工件表現(xiàn)出較普通鑄錠加工件更低的自腐蝕電流密度。因此，超聲處理對(duì)于降低合金的腐蝕速率有積極作用。

表3 不同時(shí)效態(tài)合金的電化學(xué)參數(shù)

2.4 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率的大小直接反映合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。一般來講，電導(dǎo)率越大表示合金的抗應(yīng)力腐蝕性能越好。表4所列為不同時(shí)效態(tài)合金的電導(dǎo)率。由表4可知，無(wú)論采用何種方式鑄造的鑄錠，其熱軋板在T6狀態(tài)下的電導(dǎo)率都最低，T73狀態(tài)下的電導(dǎo)率最高，其中超聲鑄錠熱軋板的電導(dǎo)率最高達(dá)到43.3%IACS，RRA處理的電導(dǎo)率略低于T73狀態(tài)合金板帶的。T6狀態(tài)下的超聲鑄錠熱軋板的電導(dǎo)率略高于普通鑄錠熱軋板的。綜上所述，合金在不同時(shí)效處理狀態(tài)下的抗應(yīng)力腐蝕性能依次為：T73，RRA、T6。此外，超聲波熔體處理使得熱軋板在T6狀態(tài)下的抗應(yīng)力腐蝕性能略有提高，在T73和RRA狀態(tài)下稍具優(yōu)勢(shì)。

表4 不同時(shí)效態(tài)合金的電導(dǎo)率

2.5 微觀組織

圖3所示為合金不同時(shí)效態(tài)下的TEM顯微組織。從圖可看出，T6狀態(tài)下合金析出大量的細(xì)小彌散相。2種T6合金晶內(nèi)均分布高密度、尺寸細(xì)小的沉淀相，晶界分布連續(xù)的長(zhǎng)條狀析出相，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶界無(wú)沉淀析出帶(PFZ)，但與普通鑄錠加工板材相比，超聲鑄錠加工板帶在T6狀態(tài)下晶內(nèi)析出相密度略小、尺寸有所增大，晶界處的析出相稍顯粗大，也呈長(zhǎng)條桿狀連續(xù)分布。

無(wú)論是否經(jīng)過超聲波熔體處理，經(jīng)過T73時(shí)效處理后合金晶內(nèi)析出相粗化，數(shù)量相對(duì)減少，同時(shí)晶界析出相也出現(xiàn)粗化，且分布不連續(xù)，出現(xiàn)明顯的晶界無(wú)沉淀析出帶，經(jīng)過超聲預(yù)處理的合金晶界粗化析出相分布更均勻。經(jīng)過RRA處理后合金晶內(nèi)分布大量尺寸細(xì)小的析出相，晶界析出的第二相粗化且分布不連續(xù)，晶界無(wú)沉淀析出帶寬度較T6 狀態(tài)下明顯增加。此外，超聲鑄錠合金熱軋板的晶內(nèi)析出相更致密、 均勻。

3 分析與討論

超聲波在熔體中的傳播伴隨著大量空化泡的產(chǎn)生和破滅，在空化泡破碎的瞬間產(chǎn)生的巨大沖擊波使鋁合金熔體的初生晶枝以及正在長(zhǎng)大的晶枝網(wǎng)胞破碎，在聲流的攪拌作用下，破碎的枝晶臂彌散到熔體中形成結(jié)晶形核質(zhì)點(diǎn)，從而提高形核率，可有效細(xì)化晶粒、均勻組織；同時(shí)超聲波的引入使熔體中合金元素的擴(kuò)散更充分，增大了鑄態(tài)結(jié)晶組織的合金固溶度以及基體空位濃度[11?14]。7xxx系鋁合金的時(shí)效析出相的析出順序?yàn)椋害?過飽和固溶體)—GP區(qū)—η′相—η相[15]。不同時(shí)效狀態(tài)下合金的析出相種類和數(shù)量存在明顯差異。一般認(rèn)為，T6狀態(tài)下析出的主要強(qiáng)化相是GP區(qū)和一小部分過渡相η’，這2種相的存在是合金具有高強(qiáng)度的主要原因。T73 狀態(tài)下晶內(nèi)大量析出η相，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降。RRA狀態(tài)下的合金晶內(nèi)析出相主要是η′相和少量η相，由于晶內(nèi)大量η’相的強(qiáng)化效果比GP區(qū)更好，可以補(bǔ)償由η相析出帶來的強(qiáng)度削弱，所以RRA態(tài)的強(qiáng)度與T6狀態(tài)相當(dāng)[16]。

在相同的時(shí)效狀態(tài)下，相對(duì)于普通鑄錠加工的合金板帶，由超聲鑄錠加工的合金板帶在時(shí)效過程中達(dá)到峰值時(shí)效的時(shí)間更短，主要是在超聲波的作用下鑄錠組織內(nèi)合金元素的固溶更加充分且分布更加彌 散[10]。經(jīng)T6時(shí)效(120 ℃/24 h)處理后由超聲鑄錠加工的合金板帶的晶內(nèi)、晶界析出相發(fā)生局部過時(shí)效，析出的二相粒子有所粗化，一定程度上弱化合金強(qiáng)度，但均勻彌散分布的二相粒子以及超聲波帶來的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)又在一定程度上補(bǔ)償了二相化合物粗化帶來的強(qiáng)度削弱，因此，在T6狀態(tài)下的力學(xué)性能與普通鑄錠加工的合金板帶相當(dāng)；在T73狀態(tài)下，超聲鑄錠合金板帶的二相粒子進(jìn)一步粗化，且程度較普通鑄造板帶更嚴(yán)重，超聲對(duì)合金力學(xué)性能帶來的積極影響被弱化，因此表現(xiàn)出相對(duì)較低的抗拉強(qiáng)度和硬度；在RRA時(shí)效處理過程中，回歸導(dǎo)致GP區(qū)溶解，再時(shí)效時(shí)晶內(nèi)以η′相的形式重新析出，強(qiáng)化了基體，經(jīng)過超聲波熔體處理后的合金時(shí)效析出驅(qū)動(dòng)力增大，導(dǎo)致其穩(wěn)定相η相相對(duì)于未經(jīng)超聲波處理的合金板帶數(shù)量多、尺寸大，但超聲熔體處理的合金組織成分更加均勻，且較大的空位濃度導(dǎo)致合金晶界無(wú)沉淀析出帶變窄，對(duì)提高合金強(qiáng)度有利，因此，RRA狀態(tài)下超聲預(yù)處理鑄錠熱軋板合金的力學(xué)性能更好。

圖3 不同時(shí)效態(tài)合金的TEM照片

關(guān)于7xxx合金的應(yīng)力腐蝕機(jī)理，業(yè)內(nèi)雖進(jìn)行了大量研究，但未達(dá)成共識(shí)，目前主要有3種基本觀點(diǎn)：一是陽(yáng)極溶解所致，二是氫致開裂理論，三是兩者的共同作用。陽(yáng)極溶解理論認(rèn)為晶界析出相細(xì)小且連續(xù)分布，容易形成陽(yáng)極腐蝕通道，增大了應(yīng)力腐蝕傾向，加劇腐蝕裂紋的擴(kuò)展。氫致開裂理論認(rèn)為在拉應(yīng)力作用下，晶界和表面相接觸的地方水分與鋁合金反應(yīng)產(chǎn)生活性氫原子，2Al+3H2O→Al2O3+6[H]，氫原子進(jìn)入晶格中沿晶界擴(kuò)散或通過位錯(cuò)管道輸運(yùn)，在裂紋尖端聚集，從而加速應(yīng)力腐蝕過程。CHRISTODOULOU等[17]的研究表明：當(dāng)晶界析出相尺寸低于臨界尺寸 (20 nm)時(shí)，捕獲氫原子能力較弱，氫原子在晶界聚集，引發(fā)氫脆；沿晶界析出的粗大第二相能捕獲自由的氫原子，氫原子相互合成為氫氣，以氣泡形式逸出，有利于降低晶界氫原子濃度和裂紋擴(kuò)展速率。晶界析出相越粗大，彼此間的間距越大，合金的抗應(yīng)力腐蝕性能越好。

合金經(jīng)T6處理后，析出相主要為GP區(qū)+η’，晶界析出相細(xì)小且連續(xù)分布，容易形成陽(yáng)極腐蝕通道，因此會(huì)增大應(yīng)力腐蝕傾向和加劇腐蝕裂紋的擴(kuò)展，此外，晶界連續(xù)分布細(xì)小的析出相，促進(jìn)了H在裂紋尖端富集，提高裂紋析出相的擴(kuò)展速度[16, 18]，所以T6狀態(tài)下合金的應(yīng)力腐蝕敏感性較大。經(jīng)過超聲熔體預(yù)處理的合金板帶，其晶內(nèi)和晶界析出相有粗化趨勢(shì)，并且晶界析出相的分布連續(xù)程度降低，出現(xiàn)晶界無(wú)沉淀析出帶，但不太明顯，因此熱軋板的抗應(yīng)力腐蝕性能相對(duì)較好。同時(shí)在其遺傳影響下合金的抗均勻腐蝕性能略有上升。

T73時(shí)效態(tài)合金的抗應(yīng)力腐蝕性能提高，主要是由于晶界析出相粗化且離散分布，較寬晶界無(wú)沉淀析出帶的存在，阻斷陽(yáng)極溶解通道，同時(shí)粗大的析出相導(dǎo)致氫原子在其表面聚集形成氫分子溢出，降低了晶界氫原子的濃度，抑制氫脆發(fā)生，從而降低裂紋擴(kuò)展速率。超聲熔體處理對(duì)合金組織成分均勻性帶來積極的影響，相同熱處理制度下合金在晶界的第二相更容易長(zhǎng)大，因此第二相平均間距更大，有利于阻礙陽(yáng)極腐蝕通道的形成，合金的抗腐蝕性能更優(yōu)。

經(jīng)過RRA熱處理后的合金晶界析出相粗化導(dǎo)致其捕獲晶界氫原子能力增強(qiáng)，抑制氫脆，同時(shí)晶界析出相呈不連續(xù)分布，以及寬化的晶界無(wú)沉淀析出帶，阻斷了陽(yáng)極腐蝕通道。因此具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。經(jīng)超聲處理的鑄錠熱軋板帶在RRA狀態(tài)下的抗腐蝕性能更好是由于超聲波增大了合金基體的空位濃度，有利于合金元素固溶，進(jìn)而使得晶界無(wú)沉淀析出帶更干凈，且晶界粗化相的數(shù)量更少。

剝落腐蝕是局部腐蝕現(xiàn)象，是一種特殊的晶間腐蝕。剝落腐蝕與晶內(nèi)、晶界析出相的尺寸和數(shù)量及分布形態(tài)、以及晶界無(wú)沉淀析出帶的寬度有關(guān)[19]。與T6時(shí)效相比，T73和RRA時(shí)效后晶界析出相均明顯粗化，且分布不連續(xù)，晶界無(wú)沉淀析出帶變寬，阻礙腐蝕裂紋擴(kuò)展，使得合金的抗剝落腐蝕性能明顯提高，T73時(shí)效后的效果更明顯。在超聲波細(xì)化鑄態(tài)晶粒以及均勻鑄態(tài)合金組織成分的影響下，經(jīng)超聲鑄錠加工的合金板帶在相同的熱處理狀態(tài)下表現(xiàn)出較好的抗剝落腐蝕性能。

4 結(jié)論

1) 由Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr鋁合金鑄錠熱軋的板帶，在T6熱處理后晶內(nèi)析出相細(xì)小、彌散分布，晶界析出相連續(xù)分布，具有最好的力學(xué)性能，但耐腐蝕性能最差。T73時(shí)效狀態(tài)下晶內(nèi)和晶界析出相嚴(yán)重粗化，合金的抗應(yīng)力腐蝕性能最好，但強(qiáng)度明顯降低。在RRA時(shí)效狀態(tài)下晶內(nèi)細(xì)小析出相彌散分布，晶界析出相粗化，分布不連續(xù)，具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，其強(qiáng)度與T6狀態(tài)相當(dāng)。

2) 對(duì)合金熔體施加超聲處理，鑄錠經(jīng)均勻化、熱軋和固溶處理，在超聲波鑄態(tài)組織遺傳效應(yīng)的影響下，相對(duì)于沒有經(jīng)過超聲熔體處理的合金板帶，T6狀態(tài)下的板帶力學(xué)性能相當(dāng)，抗腐蝕性能有所改善；T73狀態(tài)下，合金板帶的力學(xué)性能有所提高，抗腐蝕性能相當(dāng)；在RRA狀態(tài)下合金得到有利于提高強(qiáng)度的晶內(nèi)組織和有利于改善抗應(yīng)力腐蝕性能的晶間結(jié)構(gòu)，因此力學(xué)性能和抗腐蝕性能能均有所改善。

3) 采用超聲鑄錠加工和普通鑄錠加工的Al- 7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr熱軋板經(jīng)過T6、T73、RRA熱處理后的剝落腐蝕等級(jí)分別為EC、P+、EA+和EC-、P+、EA。

REFERENCES

[1] 楊守杰, 戴圣龍. 航空鋁合金的發(fā)展回顧與展望[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19(2): 76?80.YANG Shou-jie, DAI Sheng-long. A glimpse at development and application of aluminum alloy in aviation industry [J]. Mater Review, 2005, 19(2): 76?80.

[2] LIU J. Advanced aluminium and hybrid aerostructures for future aircraft [J]. Materials Science Forum, 2006, 519/521(7): 1233? 1238.

[3] CHAKRABARTI D J, LIU J, SAWTAA R R. New generation high strength high damage tolerance 7085 thick alloy product with low quench sensitivity [J]. Materials Forum, 2004, 28(1): 969?974.

[4] 尹志民, 方家芳, 黃繼武, 等. 時(shí)效工藝對(duì)7A52鋁合金晶間腐蝕和剝蝕行為的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 38(4): 617?622.YIN Zhi-min, FANG Jia-fang, HUANG Ji-wu. Effects of aging treatment on intercrystalline corrosion and exfoliation corrosion behavior of 7A52 aluminum alloy [J]. J Cent South Univ: Science and Technology, 2007, 38(4): 617?622.

[5] 陳送義, 陳康華, 梁 信, 等. 時(shí)效處理對(duì)7085鋁合金鍛件組織和腐蝕性能的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 43(2): 477?482.CHEN Song-yi, CHEN Kang-hua, LIANG Xin, et al. Effect of aging treatment on microstructure and corrosion properties of forged 7085 aluminum alloy [J]. J Cent South Univ: Science and Technology, 2007, 43(2): 477?482.

[6] 許曉靜, 羅 勇, 張?jiān)士? 等. 強(qiáng)化固溶處理對(duì)含鍶鈧7085鋁合金腐蝕性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2012, 33(11): 28?32.XU Xiao-jing, LUO Yong, ZHANG Yun-kang, et al. Effect of enhanced-solid-solution on corrosion properties of 7085 aluminum alloy containing Sr and Sc [J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2012, 33(11): 28?32.

[7] 羅 勇, 許曉靜, 張?jiān)士? 等. 強(qiáng)化固溶對(duì)含Sr 7085型鋁合金晶間腐蝕和剝落腐蝕性能的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2012, 32(5): 43?48.LUO Yong, XU Xiao-jing, ZHANG Yun-kang. Effects of enhanced-solid-solution on intercrystalline corrosion and exfoliation corrosion behavior of 7085 aluminum alloy containing Sr [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2012, 32(5): 43?48.

[8] 李英龍, 李寶綿. 功率超聲對(duì)Al-Si合金組織和性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1999, 9(4): 719?722.LI Ying-long, LI Bao-mian. Effects ofultrasound onAl-Sialloymicrostructure and properties [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999, 9(4): 719?722.

[9] 胡化文, 陳康華, 黃蘭萍, 等. 超聲波熔體處理對(duì)鋁合金組織和性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2004, 4(1): 11?13.HU Hua-wen, CHEN Kang-hua, HUANG Lan-ping, et al. Effects onthe microstructure and propertiesof aluminum alloyultrasonicmelt treatment [J].Special Casting& Nonferrous Alloys, 2004, 4(1): 11?13.

[10] 陳康華, 黃蘭萍, 胡化文, 等. 熔體超聲波處理對(duì)超強(qiáng)鋁合金組織和性能的作用[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2005, 36(3): 354?357.CHEN Kang-hua, HUANG Lan-ping, HU Hua-wen, et al. Meltultrasonic treatmenteffects onthe microstructure and propertiesof7055 aluminum alloy [J]. J Cent South Univ: Science and Technology, 2005, 36(3): 354?357.

[11] LI X Z, HANSEN V, Gj?nnes J, et al. HREM study and structure modeling of the′ phase, the hardening precipitates in commercial Al-Zn-Mg alloys [J]. Acta Materialia, 1999, 47(9): 2651?2659.

[12] ESKIN G I. Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts [M]. Amsterdam: Gordon and Breach, 1998: 1?5.

[13] ESKIN G I, ESKIN D J. Production of natural and synthesized aluminum-based composite materials with the aid of ultrasonic (cavitation) treatment of the melt [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2003, 10(4): 297?301.

[14] 黎正華, 李曉謙, 張 明, 等. 超聲外場(chǎng)對(duì) 7050 鋁合金鑄錠凝固微觀組織的影響[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2011, 16(3): 341?348. LI Zheng-hua, LI Xiao-qian, ZHANG Ming, et al. Influence of ultrasonic field on solidfication microstructure of 7050 aluminum alloy [J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2011, 16(3): 341?348.

[15] 寧愛林. 析出相及其分布對(duì)高強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能的影響[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2007: 112?113.NING Ai-ling. Effect of pricipitates and its distribution on mechanical properties of high-strength aluminum alloy [D]. Changsha: Central South University, 2007: 112?113.

[16] KNIGHT S P, BIRBILIS N, Muddle B C, et al. Correlations between intergranular stress corrosion cracking, grain-boundary microchemistry, and grain-boundary electrochemistry for Al- Zn-Mg-Cu alloys [J]. Corrosion Science, 2010, 52(12): 4073?4080.

[17] CHRISTODOULOU L, FLOWER H M. Hydrogen embrittlement and trapping in Al-6% Zn-3% Mg [J]. Acta Metallurgica,1980, 28(4): 481?487.

[18] RAMGOPAL T, GOUMA P I, FRANKEL G S. Role of grain-boundary precipitates and solute-depleted zone on the intergranular corrosion of aluminum alloy 7150 [J]. Corrosion, 2002, 58(8): 687?697.

[19] 李松瑞, 周善初. 金屬熱處理[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社, 2003: 210?212.LI Song-rui, ZHOU Shan-chu. Metal Heat Treatment[M]. Changsha:Central SouthUniversity Press,2003: 210?212.

(編輯 湯金芝)

Effect of aging treatment on microstructure and corrosion properties of plate rolling with ultrasonic casting Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr aluminum alloy ingot

HUANG Yuan-chun, LIU Yu, XIAO Zheng-bing, DU Zhi-yong

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the effect of aging treatment on microstructure, mechanical properties and corrosion properties of Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr aluminum alloy plate, which was rolled with ultrasonic casting ingot，the T6,T73,RRA aging treatment were adopted，and compared with the plate rolled with normal casting ingot. The results show that compared with T6 aging treatment the alloy under T73 aging treatment gets excellent corrosion resistance at the expense of strength. Under the condition of RRA aging treatment the alloy gets excellent corrosion resistance ability and still keep the strength as strong as under T6 aging treatment for the Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu- 0.12Zr aluminum alloy casting with ultrasonic introduced. Compared with the alloy without melt ultrasonic treatment，both the solid solubility of alloying elements in the ingot and vacancy density of the matrix of the alloy casting with ultrasonic treatment increase due to the cavitation, acoustic streaming and vibration effects brought by ultrasonic. The precipitates distributed uniformly and the part of them coarsened. The uniform distribution of tiny precipitates has a positive impact on the strength of the alloy, the coarsened precipitates do a negative effect on the strength, but it can improve the corrosion resistance of the alloys under the same aging treatment.

Al-7.8Zn-1.6Mg-1.8Cu-0.12Zr aluminum alloy; aging treatment; microstructure; corrosion resistance

TG146

A

1673-0224(2015)2-280-08

國(guó)家基礎(chǔ)研究重點(diǎn)規(guī)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB619504)

2014-04-10；

2014-05-20

黃元春，教授，博士。電話：13507315123；E-mail：huangyc6818@163.com