施娟娟，陳忠家，謝元福，牛龍飛

（合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥230009）

0 前言

7×××系鋁合金具有超高強鋁合金之稱，是目前工業(yè)使用的強度最高的鋁合金系別，由于其高強與輕質的完美結合，綜合性能高于傳統(tǒng)鋼材，在航空航天用結構件中占主要地位[1-2]。但是7×××系鋁合金耐腐蝕性能不夠理想，跟不上力學性能發(fā)展的步伐，這影響了其在一些特殊場合的安全使用。近年來，隨著國內航空航天行業(yè)的迅速發(fā)展，在與鈦合金以及復合材料的競爭下[3-4]，7×××系鋁合金耐腐蝕性提高的愿望變得更加迫切。

為了提高7×××系鋁合金的耐腐蝕性能，有研究者[5]從合金成分角度出發(fā)，加入Er、Sc 等稀土元素，可細化原始晶粒與再結晶晶粒，使得合金強度提升，同時使單位體積內的晶界數(shù)量增加。另外，還可以使晶界處析出相更分散析出，形成不連續(xù)鏈狀分布，耐腐蝕性得以提升。還有研究者通過改善熱處理制度（如固溶工藝與回歸再時效工藝）來提高合金綜合性能。羅勇[6]等人采用了強化固溶熱處理工藝使合金的剝落腐蝕等級達到PB。熱處理工藝中對合金耐腐蝕性能改善最明顯的就是回歸再時效工藝。1991 年，美國Alcoa 公司開發(fā)的T77 工藝使合金耐腐蝕性能得到極大提高，在其廣泛應用于飛機蒙皮和龍骨架以后，國內外研究者們對RRA工藝的探究熱情無比高漲。Hannm 等人[7]研究的RRA 制度表明該工藝可使合金的斷裂韌度和抗腐蝕性能得以明顯提高。鄭子樵和龍佳等人[8-9]探究了7055合金的連續(xù)RRA和雙級時效工藝，結果發(fā)現(xiàn)這兩種工藝均可明顯提高合金的綜合性能，提升鋁合金板料的產(chǎn)品質量。但是他們的重點僅在于RRA中預時效工藝的研究。RRA中回歸工藝可使合金內析出相回溶進基體，對后續(xù)性能的影響同樣至關重要。

本文以7×××系鋁合金板料為研究對象，通過改變RRA 工藝中的回歸溫度與回歸時間，研究RRA 工藝對高強鋁合金力學性能和耐腐蝕性能的影響，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實驗材料及方法

以自制7×××系鋁合金為研究對象，名義成分為Al-8.1Zn-2.2Mg-2Cu-0.2Zr-0.25Ce，軋至厚度為1.5 mm左右板料，隨后進行450℃×90min＋465℃×40 min＋475 ℃×20min的強化固溶處理和120 ℃×24h 預時效處理，之后進行回歸處理。選取回歸溫度與回歸時間為變量，研究150 ℃、170 ℃、190 ℃、210 ℃和230 ℃溫度下保溫40 min與190 ℃下保溫10 min、20 min、30 min 和40 min 對合金性能的影響。最后進行120 ℃×24 h終時效。

為了研究回歸工藝對7×××系鋁合金強度與耐腐蝕性能的影響，本文采用金相和X射線衍射分析方法觀察合金微觀組織，通過室溫拉伸實驗測得合金力學性能，使用電導率與極化曲線測試分析合金耐腐蝕性能。合金的金相觀察在MR2000型光學顯微鏡下進行。通過X-Ray衍射實驗，分析不同處理狀態(tài)下的7×××系鋁合金中析出相的種類與數(shù)量。室溫拉伸在CMT5105 型微機控制電子萬能實驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min。電導率的測試使用SZ-82數(shù)字式四探針測試儀進行。采用CHI660D電化學工作站測試極化曲線，測試系統(tǒng)為三電極系統(tǒng)，電解液為3.5%NaCl，掃描速率為0.006 V/s。外加電流密度取對數(shù)作為縱坐標，其相應的電位作為橫坐標，即可得到外加電流的極化曲線。

2 結果分析

2.1 顯微組織

圖1為合金經(jīng)過150 ℃、190 ℃和230 ℃3種回歸溫度下保溫40 min 后的RRA 態(tài)金相組織。RRA工藝不改變合金晶粒尺寸，只會改變晶內與晶界析出相分布。從圖1可知，隨著回歸溫度的提高，晶界粗化，合金內部析出相也逐漸增多。

圖1 不同回歸溫度下的合金顯微組織

RRA40-x與RRAx-190組合金的XRD分析圖如圖2所示。由圖可知隨著回歸溫度和回歸時間的增加，合金中的MgZn2相析出數(shù)量逐漸增多，這說明增加回歸溫度和回歸時間可以促進MgZn2相析出。這主要是因為合金在高溫短時回歸時GP 區(qū)會發(fā)生回溶，同時在該溫度下有益于η′相和η相的析出[10]。晶內和晶界分別有大量的η′相和η相存在。隨著溫度的提升與保溫時間的延長，析出相析出動力變強，表現(xiàn)為GP區(qū)向η′相和η相轉變，使MgZn2相析出數(shù)量增加。

圖2 RRA40-x與RRAx-190合金XRD分析圖

2.2 力學性能

表1 為不同回歸溫度與回歸時間下的拉伸性能。若合理控制回歸工藝的溫度與時間，可以使合金強度得以提升，這主要是因為合金析出相在回歸再時效工藝中進行了回溶與再析出這一過程。鋁合金中主要的強化方式為晶界強化、彌散強化和位錯強化[11]。在位錯強化與晶界強化一定的情況下，影響合金力學性能的主要是其晶內的強化相所形成的彌散強化效應，其中主要影響強度的是η′相[13]。由表1 可知在RRA40-x 組中，隨著回歸溫度的增加，合金強度先增大后降低，在190 ℃×40 min時達到峰值653.5 MPa，延伸率為11.5%。此時與T6 態(tài)相比，強度提高，延伸率降低。在較低溫度進行回歸時，GP區(qū)回溶轉化為η′相的析出驅動力不足。而隨著回歸溫度的增加，190 ℃時析出相轉化驅動力得以提升，合金強度增加。隨著回歸溫度的繼續(xù)升高，當回歸溫度在210 ℃以上時，合金強度開始降低。這是因為當回歸溫度繼續(xù)升高時，漸漸達到了η′相的回溶溫度，并且稀土元素Zr 和Ce 的添加可以降低η′相的回溶溫度，因此當合金在210 ℃以上回歸時，合金中的析出相轉化趨勢變?yōu)镚P 區(qū)和η′相回溶進入基體同時轉化為η相析出，強化相減少，強度略有下降。在RRAx-190組中，隨著回歸時間的延長，合金強度先增大后降低，延伸率變化則相反。在190 ℃×20 min 時強度達到峰值702.2 MPa，延伸率為8.3%。此時的GP區(qū)向η′相轉化的效率最高。隨著回歸時間的延長，η′相有向η相轉變的趨勢，合金強度發(fā)生輕微下降，保溫40 min時合金強度為653.5 MPa，相比190 ℃下回歸20 min時強度降低，但還是略高于T6態(tài)板材。

表1 RRA40-x與RRAx-190合金的力學性能與電導率

2.3 耐腐蝕性能

電導率與合金的抗應力腐蝕能力密切相關，電導率越高，抗應力腐蝕性能越好[12]。RRA40-x 與RRAx-190 組合金電導率測試結果如表1 所示。合金經(jīng)過回歸工藝后使共格GP 區(qū)回溶，同時析出與基體完全不共格的η相，大大減小了基體畸變程度，同時增大晶界處η相之間間距，阻礙η相之間電鏈應，從而使合金對自由電子的阻礙程度減小。電阻率減小電導率得以提升。由表1可知RRA40-x組電導率隨著回歸溫度的增加而增大。在回歸溫度為190 ℃時電導率明顯增大，為38.5%IACS，此時η′相和η相大量析出，晶格畸變減弱，同時晶界處有不連續(xù)η相，電導率上升。同理，在RRAx-190組中，隨著回歸時間的增加，η相析出增加，晶格畸變減小，合金的電導率逐漸增大。隨著回歸溫度的繼續(xù)上升，在溫度為210 ℃以上時，合金中析出相轉化趨勢為GP區(qū)和η′相向η相轉變，電導率大幅度增加，230 ℃×40 min時達到47%IACS。

在電化學反應中，反應過程所得到的參數(shù)滿足一定的客觀規(guī)律。當外加極化電位較大時，外加電流與極化電位滿足Tafel 關系，因此通過測得Tafel曲線來分析其中參數(shù)變化是一種檢測合金耐腐蝕性能的可靠手段[14-15]。其中自腐蝕電位為熱力學參數(shù)，其數(shù)值越負，表示合金越容易被腐蝕；腐蝕電流密度為動力學參數(shù)，其數(shù)值越小，表明合金腐蝕速率越慢[16]。圖3 為RRA40-x 與RRAx-190 組合金試樣在3.5%NaCl 溶液中的動電位掃描極化曲線?？梢钥闯?，在陽極極化過程中均出現(xiàn)了明顯的鈍化現(xiàn)象，這是因為在鋁合金的表面存在一層鈍化膜。從金屬熱力學來說，鋁轉變?yōu)殡x子標準電位是-1.67 V，比開始腐蝕的標準電位-0.411 V 低的多[14]。但是鋁合金在大氣中不會很快腐蝕的原因就是致密的氧化鋁薄膜形成的鈍化膜，它可以減緩合金腐蝕。合金在經(jīng)過RRA 處理后，依據(jù)塔菲爾切線法得到各組曲線對應的Ecorr 和Icorr，如表2 所示。可以看出，隨著回歸溫度的提高，合金的自腐蝕電位依次正移，自腐蝕電流呈現(xiàn)降低趨勢，合金腐蝕敏感性逐漸降低，耐腐蝕性逐漸增強。在相同的回歸溫度下，隨著回歸時間的增加合金自腐蝕電位正移，自腐蝕電流減小，腐蝕速率減小，耐腐蝕性能增加。極化曲線測試結果與電導率變化規(guī)律基本一致。

圖3 RRA40-x與RRAx-190合金的電化學腐蝕極化曲線

表2 RRA40-x與RRAx-190合金的電化學腐蝕動力學參數(shù)

3 結論

（1）在一定范圍的回歸溫度與回歸時間里，合金中MgZn2相的析出隨著回歸溫度和回歸時間的增大而增加，在150 ℃和170 ℃回歸時效果不明顯。而從190 ℃開始合金中有大量MgZn2相開始析出，并且隨著回歸時間的延長逐漸增多。

（2）隨著回歸溫度與回歸時間的增加，合金強度先增大后減小，在190 ℃×20 min回歸時達到峰值，為702 MPa。當回歸溫度超過210 ℃時，合金中的析出相轉化趨勢變?yōu)镚P區(qū)和η′相回溶入基體同時轉化為η相析出，強化相減少，強度開始下降。

（3）回歸再時效工藝可以提高合金耐腐蝕性能。隨著回歸溫度與回歸時間的增加，合金電導率隨之增加，在190 ℃時電導率開始有明顯的上升。極化曲線變化趨勢與電導率基本一致，說明合金耐腐蝕性能得以提高。