N離子注入改善2195鋁鋰合金的耐磨和腐蝕性能

竇忠宇，王婷，張榮宇，張殿喜

（安順學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，貴州 安順 561000）

在減輕航空航天器質(zhì)量的前提下，鋁鋰合金中每增加1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的金屬鋰，密度降低約3%，彈性模量卻提高約6%，產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化效果，因此鋁鋰合金是航空航天領(lǐng)域最具潛力的結(jié)構(gòu)材料之一［1-2］。作為第三代鋁鋰合金，2195鋁鋰合金因其比強(qiáng)度高、韌性好、抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)異而成為應(yīng)用最廣泛的鋁鋰合金之一，廣泛用于飛機(jī)外掛箱、機(jī)翼和蒙皮等方面［3］。2195鋁鋰合金是典型的析出相硬化型合金，不同的熱處理工藝可以改變其性能，于利軍等［4］研究了熱處理工藝T6I6對(duì)2195鋁鋰合金組織和性能的影響，試樣經(jīng)505℃、40 min鹽浴固溶、水淬后，再進(jìn)行T6I6和T6時(shí)效處理，T6I6熱處理工藝使2195合金相對(duì)T6工藝進(jìn)一步提高了合金塑性及斷裂韌性。

目前鋁鋰合金的研究主要集中在時(shí)效成形技術(shù)、熱處理工藝、焊接技術(shù)等方面，采用表面處理工藝提升鋁鋰合金綜合性能的報(bào)道較少，Yang等［5］采用激光沖擊強(qiáng)化（LSP）工藝對(duì)時(shí)效處理的2195鋁鋰合金試樣進(jìn)行表面處理，合金表面晶粒細(xì)化，并有部分析出相溶解在表面，硬度最大值出現(xiàn)在頂部表面。蘇運(yùn)來(lái)等［6］研究了噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)鋁鋰合金疲勞性能影響，Al-Li-XX合金表現(xiàn)出一定的各向異性，而2XXX合金則表現(xiàn)出較明顯的各向同性，噴丸強(qiáng)化對(duì)兩種鋁鋰合金試件疲勞性能有不同程度的提高，噴丸強(qiáng)化處理后兩種材料試件的疲勞壽命分散性均不同程度的增大。Niu等［7］采用面銑削和拋光研磨工藝處理2A97鋁鋰合金，發(fā)現(xiàn)銑削后的表面具有更好的耐腐蝕性能，這得益于加工硬化現(xiàn)象。李茂林等［8］采用機(jī)械研磨技術(shù)處理1420鋁鋰合金，表面出現(xiàn)了塑性變形層，晶粒得到細(xì)化。肖金濤等［9］研究了工藝參數(shù)對(duì)2195鋁鋰合金陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性影響，當(dāng)硫酸濃度為180～200 g/L，溫度為14℃，氧化電壓為14V，氧化時(shí)間為50 min時(shí)，氧化膜具有最好的耐腐蝕性能。離子注入技術(shù)使離子與材料表面發(fā)生相互作用，導(dǎo)致材料表面的成分、結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化，使得表面性能變得更好［10-12］。Savaloni等［13］發(fā)現(xiàn)氮離子注入鋁合金后可以通過(guò)降低腐蝕速率和增加疲勞循環(huán)次數(shù)來(lái)提高耐腐蝕性能。陳勇忠等［14］將氮離子注入鋁的表面，離子注入劑量增大到一定程度，鋁的表面會(huì)有AlN出現(xiàn)，這將加強(qiáng)鋁表面的耐腐蝕性。郭紅偉等［15］采用滲氮工藝提升了不銹鋼基體的耐磨性能。離子注入技術(shù)是提高合金表面性能的有效手段，本文對(duì)2195-T6鋁鋰合金使用離子注入技術(shù)進(jìn)行處理，研究N離子注入前后鋁鋰合金試樣表面組織與性能的變化，為鋁鋰合金表面處理工藝提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料選用2195鋁鋰合金板材，經(jīng)過(guò)T6熱處理工藝，購(gòu)自國(guó)內(nèi)某公司，化學(xué)成分見(jiàn)表1，使用線切割機(jī)加工成15 mm×15 mm×5 mm的尺寸，再用1000 #和2000 #水磨砂紙打磨后進(jìn)行拋光處理，使用超聲清洗10 min后冷風(fēng)吹干。在西南核物理研究所研制的多功能離子注入與沉積設(shè)備上進(jìn)行N離子注入實(shí)驗(yàn)，N離子注入實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行離子清洗10 min，真空度為1.5×10-3Pa，注入能量為30 keV，抑制電壓1 keV，注入劑量為1×1018ions·cm-2。

表1 2195鋁鋰合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy

采用X’Pert PRO衍射儀進(jìn)行XRD測(cè)試，檢測(cè)角20°～90°，掃描速度10°/min，步長(zhǎng)0.013°/s；采用HV-1000維氏顯微硬度計(jì)測(cè)試表面硬度數(shù)據(jù)，選取5個(gè)部位取其平均值，載荷2.94 N，保載時(shí)間為15 s；采用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋁鋰合金表面摩擦實(shí)驗(yàn)，使用Al2O3球進(jìn)行干摩擦，摩擦方式為圓周運(yùn)動(dòng)，摩擦?xí)r間20 min，載荷10 N，摩擦速度100 r/min，摩擦半徑12 mm，使用PhaseShiftMicroXAM-3D測(cè)量了磨痕的磨損體積用以表征磨損性能；使用上海辰華CHI660E電化學(xué)工作站進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試，測(cè)試試樣為工作電極，輔助電極為Pb電極，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為3.5%NaCl水溶液；在5%NaCl水溶液進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)，浸泡時(shí)間為48 h，試驗(yàn)溫度25℃，使用失重法計(jì)算腐蝕速率［16］，采用電子天平對(duì)浸泡實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行稱(chēng)重，精確到0.1 mg，實(shí)驗(yàn)后用SEM觀察去除腐蝕物后離子注入前后試樣的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖1為氮離子注入前后2195鋁鋰合金的X射線衍射圖譜，從圖1可知，2195鋁鋰合金表面主要以Al基體相為主，Al相的衍射峰2θ分別出現(xiàn)在38.45°、44.73 °、65.13 °、78.17 °、82.35 °等處。同時(shí)發(fā)現(xiàn)N離子注入后鋁鋰合金表面出現(xiàn)了AlN新相，而AlN相的2θ值依次為44.77°、65.23°、78.12°，這與高劑量N離子注入鋁合金的結(jié)果是一致的［17］，鋁鋰合金中Li元素含量較少且以化合物狀態(tài)存在，2195鋁鋰合金的相結(jié)構(gòu)最強(qiáng)衍射峰始終為晶面（200）和（220），但是衍射強(qiáng)度增大，這說(shuō)明2195鋁鋰合金的擇優(yōu)取向并未發(fā)生變化。

圖1 離子注入前后試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of samples before and after ion implantation

2.2 顯微硬度

圖2為N離子注入前后鋁鋰合金試樣5次測(cè)量的顯微硬度，未處理試樣的硬度在154 HV左右，經(jīng)過(guò)離子注入后的試樣表層硬度顯著降低，說(shuō)明表層出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象。有報(bào)道［18］對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金的硬度降低但伸長(zhǎng)率得到提高，軟化現(xiàn)象是由于離子注入過(guò)程中熱效應(yīng)和塑性變形同時(shí)作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致位錯(cuò)密度減小，在表面處理中的纖維織構(gòu)轉(zhuǎn)化也使的合金變形更加容易，結(jié)果導(dǎo)致材料表面改性層軟化。

圖2 鋁鋰合金離子注入前后鋁鋰合金試樣的顯微硬度Fig.2 Microhardness of Al-Li alloy samples before and after ion implantation of Al-Li alloy

2.3 摩擦磨損性能

圖3為2195鋁鋰合金N離子植入前后的摩擦系數(shù)。由圖3可知鋁鋰合金試樣在離子注入前后的平均摩擦系數(shù)大小都約為0.43，說(shuō)明離子注入后摩擦系數(shù)并未發(fā)生明顯變化。通過(guò)離子注入層的軟化現(xiàn)象和AlN相的產(chǎn)

圖3 鋁鋰合金離子注入前后摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficient of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

生來(lái)說(shuō)明摩擦系數(shù)的原因，磨損行為可以用顆?；旌系谋≤泴幽Ｐ蛠?lái)解釋?zhuān)?9-20］，摩擦系數(shù)μ可以描述為表面剪切強(qiáng)度（S）與硬度（P）的比值，在表面覆蓋一層軟材料，接觸處的剪切強(qiáng)度為Ss，軟化層的摩擦系數(shù)μ=Ss/P，在硬度大幅降低時(shí)剪切強(qiáng)度也隨之變化，因此摩擦系數(shù)μ在高劑量N離子植入下未發(fā)生改變。圖4為離子注入前后合金試樣的磨痕三維形貌，從圖4中可以看到，鋁鋰合金進(jìn)行離子注入后相比較于未處理試樣的磨痕深度變淺，磨損體積也從2.07×107μm3降低到1.84×107μm3，磨損量有所減少。

圖4 鋁鋰合金離子注入前后試樣磨損形貌Fig.4 Wear morphology of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

圖5為合金試樣離子注入前后的磨痕形貌，從圖5中可知，未處理合金試樣表面犁溝較深，同時(shí)還有片狀磨屑，說(shuō)明試樣在摩擦過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的磨粒和粘著磨損，表面脫落的Al在摩擦過(guò)程中充當(dāng)磨粒產(chǎn)生了明顯的犁溝。離子注入試樣表面犁溝較淺，表明磨粒磨損的狀況得到改善，同時(shí)粘著磨損情況減少，這是由于摩擦過(guò)程中過(guò)飽和氮的擴(kuò)散能力得到加強(qiáng)，過(guò)飽和固溶氮向表面和試樣深層擴(kuò)散，使得分布展寬，表面存在大量彌散的AlN顆粒不易粘著［21-22］。離子注入試樣相比較于未處理試樣，其磨損量降低，且磨痕表面較為平整光滑，說(shuō)明N離子注入可以提升鋁鋰合金的耐磨性能。

圖5 鋁鋰合金試樣離子注入前后的磨痕形貌Fig.5 Morphology of wear scratch of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

2.4 腐蝕性能

2195鋁鋰合金原樣和離子注入試樣的極化曲線如圖6所示，使用Tafel外推法和失重法得到的腐蝕信息見(jiàn)表2。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)兩者曲線較為相似，但在N離子注入后，合金的陽(yáng)極極化曲線向鈍化方向遷移，腐蝕電位增加，腐蝕電流減小，浸泡實(shí)驗(yàn)所得的腐蝕速率表明注入后腐蝕速率大幅降低，說(shuō)明N離子注入能有效改善鋁鋰合金表面的耐蝕性能。這種行為可以歸因于注入樣品層中氮化鋁的形成和表面所含的天然氧化物層，這兩層保護(hù)材料提升了合金的耐蝕性能［23］。此外，有研究指出在高劑量N離子注入下，鋁合金表面晶界尺寸增大，晶界數(shù)減少，表面粗糙度減小，這些變化都有利于增強(qiáng)試樣的腐蝕行為［13］。

圖6 鋁鋰合金離子注入前后試樣的極化曲線Fig.6 Polarization curves of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

表2 N離子注入前后試樣的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.2 Corrosion data of samples before and after N ion implantation

圖7為鋁鋰合金試樣離子植入前后在5%NaCl溶液腐蝕后的SEM圖，從圖中可以看到未處理試樣的表面腐蝕行為較為嚴(yán)重，晶間腐蝕明顯可見(jiàn)，由于點(diǎn)腐蝕使得鋁鋰合金表面形成一些細(xì)微的裂紋和孔洞，N離子注入注入后的試樣表面較為完整沒(méi)有明顯的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，只出現(xiàn)了輕微的腐蝕，表面腐蝕性能的提升是由于氮離子注入后所形成的AlN以及過(guò)飽和氮的擴(kuò)散能夠?qū)Ρ砻嫫鸬奖Ｗo(hù)作用，腐蝕形貌觀察佐證了電化學(xué)的測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明N離子注入可以有效提高2195鋁鋰合金的耐蝕性能。

圖7 鋁鋰合金試樣離子注入前后的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphologies of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)經(jīng)T6熱處理后的2195鋁鋰合金試樣進(jìn)行N離子注入處理，發(fā)現(xiàn)N離子注入后鋁鋰合金表面有新相A1N的出現(xiàn)，離子注入后的試樣表面出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，這是由于注入過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和織構(gòu)轉(zhuǎn)化造成的。N離子注入前后試樣的摩擦系數(shù)沒(méi)有變化，但離子注入試樣的耐磨性能得到提高，摩擦過(guò)程中磨粒磨損和粘著磨損程度大幅減輕。N離子注入后鋁鋰合金的腐蝕電位提高，腐蝕電流減小，在5%NaCl溶液浸泡后試樣的腐蝕速率相較于未處理試樣明顯降低，腐蝕后表面形貌較為完整，點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象明顯改善，說(shuō)明N離子注入是提高2195鋁鋰合金的耐磨和耐蝕性能的有效手段。