超高強鋁合金熱處理及其抗老化性能研究

黨麗

摘 要：5083鋁合金在船舶建造中廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境中，在高速、大流量和停滯狀態(tài)下運行時易受腐蝕。為防止腐蝕，進行了固溶熱處理。最佳熱處理包括在400℃下加熱試樣90min，然后在水中冷卻。此外，最佳的人工老化條件是在200℃下對試樣進行120min的老化。用失重法測定熱處理試樣的腐蝕速率。浸泡試驗已經(jīng)進行了兩周。用光學(xué)電子顯微鏡觀察了熱處理試樣的顯微組織。固溶熱處理后，熱處理試樣的耐蝕性提高，硬度提高。經(jīng)過處理后的電導(dǎo)率都有所提高，但溶質(zhì)離子化除外，并且在163℃和16h條件下的雙重老化中電導(dǎo)率最大。

關(guān)鍵詞：AA5083;海水溶液;熱處理;人工老化

中圖分類號：TG146.21 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0035-004

Study on Heat Treatment of Super High Strength Aluminum Alloy and Its Anti-aging Properties

Dang Li

（Shaanxi Institute Of Technology ， Xi an 710300， China）

Abstract：Aluminum alloy 5083 is commonly used in the ship building application in marine environment and susceptible to corrosion when they are run at high speed velocity， high flow rate condition and stagnate condition. Therefore， solution heat treatment was carried out to prevent corrosion. The optimal heat treatment involved heating specimens for 90 min at 400℃ and then cooling them in water. In addition， the optimal artificial aging condition involved aging specimens for 120 min at 200℃. The corrosion rates of the heat treated specimens were determined using weight loss method. The immersion test has done for 2 weeks. The microstructures of heat treated specimens have been observed using optical electron microscope. The corrosion resistance of heat treated specimens increased after solution heat treatment and the hardness of the specimens also increased. After treatment， the conductivity has been improved， except for solute ionization， and the conductivity is the largest in the double aging at 163℃ and 16 hours.

Key words：AA5083;seawater solution; heat treatment;artificial aging

0 引言

為了降低能源消耗和空氣污染，人們對節(jié)能材料的需求越來越大，而鋁的高強度、剛度重量比、良好的成形性、良好的耐腐蝕性和可回收性使其成為替代較重材料的理想材料。AA5083等可熱處理鋁合金在氯化物環(huán)境中易受局部腐蝕，如點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。雖然金屬是非常重要的工程材料，但其力學(xué)性能的嚴重倒退是腐蝕。因此，不受控制的腐蝕的影響不僅限于腐蝕效用本身的狀態(tài)，而且深刻地影響著人類及其經(jīng)濟和社會。在某些情況下，腐蝕產(chǎn)物以一層薄薄的附著膜存在，這層附著膜只會弄臟或使金屬失去光澤，并可能對進一步的腐蝕作用起到阻燃作用。在其他情況下，腐蝕產(chǎn)物體積大，多孔，不提供保護。腐蝕是工業(yè)中最嚴重的問題之一，每年造成數(shù)十億盧比的損失。腐蝕的預(yù)防和控制是一門高度復(fù)雜的科學(xué)，由于腐蝕的形式多種多樣，并且受到許多外部因素的影響，對于材料防腐蝕而言是一項十分重要的研究課題，具有影響學(xué)科發(fā)展方向的重大意義和價值。

本實驗研究了不同熱處理條件下，鋁合金AA5083的剝落腐蝕。采用失重法研究了熱處理對AA5083鋁合金導(dǎo)電性能和腐蝕性能的影響。

1 實驗部分

研究不同時效時間熱處理對鋁合金耐蝕性的影響。測定鋁合金熱處理后的硬度。用浸沒試驗法測定鋁合金的腐蝕速率。分析了鋁合金的腐蝕類型。固溶熱處理是將合金加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋谠摐囟认卤３肿銐虻臅r間，使一種或多種成分進入固溶體，然后迅速冷卻，使這些成分保持在固溶體中。沉淀硬化或人工時效是一種或多種成分從固溶體中沉淀而導(dǎo)致硬度顯著增加的過程。

金屬和合金的力學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，其原因是原始狀態(tài)缺乏熱力學(xué)平衡，在允許原子有足夠擴散速率的條件下，結(jié)構(gòu)逐漸接近平衡狀態(tài)。在硬化或結(jié)晶后的高溫快速冷卻下，熱加工金屬和合金部分或完全保持高溫標(biāo)度狀態(tài)的原子結(jié)構(gòu)特征。在純鋁金屬的行為中，這種結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性在于低溫下空位的過度集中和晶體結(jié)構(gòu)的其他缺陷的存在。在合金中，結(jié)構(gòu)的不平衡可能與低溫下不穩(wěn)定相的保留有關(guān)。最重要的是合金的老化，這是由過飽和溶液的分解引起的。固體溶液中的過飽和狀態(tài)是指合金在高溫下冷卻后，由于外加劑的溶解度或合金材料的特殊引入而產(chǎn)生的。應(yīng)創(chuàng)造的環(huán)境條件和所需的加速度通常確定應(yīng)使用哪些實驗室試驗。在本試驗中，通過以下方法獲得適當(dāng)?shù)募铀俣龋涸谔囟〞r間段內(nèi)測量重量損失時，將小批量材料置于試驗介質(zhì)中。在篩選方面，浸沒試驗仍然是最可靠的方法。它也是確定在某些環(huán)境中最適合防腐的材料的最簡單和最經(jīng)濟的方法。

1.1 實驗裝置和設(shè)備

根據(jù)不同的試驗程序，選擇4個相同的材料試件，找出材料在各個階段的硬度。初步實施固溶熱處理工藝。材料選用鋁合金5083，厚度6mm。尺寸為材料尺寸：50 mm × 25 mm × 6 mm。表1給出了5083鋁合金的化學(xué)成分。

AA5083氧化鋁合金的熱處理工藝包括：①固溶熱處理工藝將材料加熱至420℃并保持9min，以提高機械性能。加熱至420℃后，浸泡3min。然后將材料從爐中取出并淬火;②然后找出材料的硬度。在每一個階段，我們都必須找出材料的硬度，以便我們可以檢查在不同階段發(fā)生的變化。圖1表示如上所示的固溶熱處理過程。

下一步完成固溶熱處理工藝是對材料進行人工時效熱處理。在此階段，將材料保持在150℃和200℃的高溫下，如圖2所示。這樣我們就可以提高材料的硬度。在兩個溫度下進行人工時效，以了解更好的硬度值和哪個階段具有更好的機械性能。人工時效在熱處理過程中起著關(guān)鍵的作用，它能在低溫下恢復(fù)由于空位和保留相引起的組織。

收到的試樣硬度最初計算值為（HV 76）。在每個老化溫度下使用4個試樣。計算了4個試樣時效后的硬度值。試樣經(jīng)420℃熱處理后，在150℃和200℃下人工時效，然后在水中冷卻。在200℃、120min人工時效后，硬度最高（HV 86）。

1.2 浸沒試驗

浸沒試驗方法測量腐蝕環(huán)境中浸沒長度引起的腐蝕損傷進展，以及其他加速腐蝕過程的因素。這種方法也稱為失重試驗方法。為了確定鋁合金的腐蝕速率，采用了浸沒試驗法，該方法經(jīng)濟、高效。

根據(jù)ASTM G31浸沒試驗方法，根據(jù)失重試驗方法計算腐蝕速率：

mm/y = （W/D×A×T）

式中，W為金屬重量損失（單位：mg）;D為金屬密度（單位：mg/mm3）;A為樣品面積，單位為mm2;T為時間（年）。

1.3 導(dǎo)電實驗

使用979型Technofore電導(dǎo)率儀測量電導(dǎo)率，精度在1%以內(nèi)，如圖3所示。該儀器使用直徑為10mm的手持探頭測量電導(dǎo)率，單位為%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）。在每個樣品上的至少3個隨機位置測量電導(dǎo)率，然后取平均值，得到整件樣品的電導(dǎo)率值。注意確保導(dǎo)電性測量不在邊緣或薄片附近進行，以便探針的電場保持在金屬中。

2 結(jié)果和討論

2.1 耐腐蝕性能

探討合金元素對鋁合金海水點蝕行為的影響。鋁合金5083在自然海水中進行了室溫試驗。在測試之前，樣品在一系列碳化硅砂紙上進行機械拋光，拋光至1200粒度，并用蒸餾水清洗。圖4中確定了收到的AA5083試樣的浸沒試驗。這表示腐蝕速率值。

圖5所示為150℃下老化兩周的AA 5083浸沒試驗與在150℃下老化的收到試樣相比，腐蝕速率值略有降低，因為鋁合金中的金屬間化合物顆粒在鈍化性分解中起主要作用。力學(xué)性能的變化也使腐蝕值不同。

在200℃下對5083鋁合金進行人工時效兩周的浸沒試驗，如圖6所示。失重試驗表明，在該溫度下，合金的熱處理試樣的腐蝕速率值低于收到的和150℃。在200℃時，我們得到的腐蝕速率值較低，因為最重要的是合金的老化，這是由超飽和溶液的分解引起的。

在200℃下進行浸沒試驗后，發(fā)現(xiàn)試樣有淺坑，如圖7所示。在該圖中，由于機械性能的變化，試樣3顯示出較低的腐蝕速率值。200℃浸沒試驗后腐蝕材料AA5083的微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。AA5083在海水中遭受點蝕型腐蝕。用光學(xué)顯微鏡分析了腐蝕是點蝕。

2.2 導(dǎo)電性能測定

根據(jù)ASTM E 1004-02，在每次熱處理后測量電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是一個重要的監(jiān)測指標(biāo)。圖9所示為各種處理后的導(dǎo)電率（IACS）。顯然，在T6回火后，發(fā)現(xiàn)了31.4%的IACS，并且在RRA處理后，它增加到35.1%的IACS。然而，對于163℃;4h的樣品，電導(dǎo)率保持與T6狀態(tài)相同。對于處理，163℃;1h的電導(dǎo)率略微增加至33.2%的IACS。但在163℃;16h的樣品中，IACS的電導(dǎo)率顯著提高到36.2%，超過RRA處理。對于163℃;2h的樣品，其IACS增加至35.8%，與RRA處理相似。每次治療后立即進行測量，并每隔一天持續(xù)15d。后續(xù)測量未發(fā)現(xiàn)變化。AA5083在不同熱處理條件下的導(dǎo)電性變化是由于人工時效處理不同時間段形成的不同沉淀階段所致。

3 結(jié)語

文章研究了經(jīng)T6熱處理、固溶熱處理和復(fù)相處理的AA5083鋁合金的導(dǎo)電性和耐腐蝕性能。實驗結(jié)果顯示：

（1）所有處理的電導(dǎo)率都有所提高，但溶質(zhì)離子化除外，并且在163℃和1h條件下的雙重老化中電導(dǎo)率最大。

（2）AA5083鋁合金在200℃下經(jīng)過120min熱前處理后，達到最大硬度（HV86） 。

（3）與固溶熱處理和人工時效后的試樣相比，材料的硬度值增加。

（4）AA5083的浸沒試驗表明發(fā)生點蝕，失重試驗表明，與原先的試樣相比，經(jīng)過熱處理試樣的腐蝕速率值較低。研究結(jié)果表明，鋁合金中金屬間化合物顆粒的類型對鋁合金在海水中的坑狀形貌起主要作用。

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