Ag含量對Al-Cu-Li合金晶間腐蝕行為的影響
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方成棟 楊瑞賓 王飛舟 劉忠俠
（鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，材料物理教育部重點實驗室）
摘 要通過鹽水浸泡法與電化學(xué)腐蝕試驗，研究了4種Ag含量的T6態(tài)Al-Cu-Li合金的晶間腐蝕性能。發(fā)現(xiàn)隨著Ag含量的增加，合金的自腐蝕電位下降，自腐蝕電流密度增加，晶間腐蝕深度逐漸增加，因此，Ag的添加降低了T6態(tài)合金的抗晶間腐蝕能力。原因在于含Ag合金析出的具有較低電位的大量T1相和較寬的PFZ;同時Ag促使T1相周圍吸附更多的Mg原子團(tuán)簇，增加了T1相與基體的電位差。
關(guān)鍵詞 Al-Cu-Li合金；晶間腐蝕；Ag含量；微觀組織
中圖分類號 TG146. 21; TG174.3+3 DOI:10. 15 980/j. tzzz. 2016. 05. 025
晶間腐蝕是一種在弱氧化性或氧化性介質(zhì)中發(fā)生的沿著晶界向金屬內(nèi)部擴(kuò)展的局部腐蝕。晶間腐蝕常發(fā)生在合金內(nèi)部，是一種十分有害的腐蝕行為。Al-Cu-Li合金是一種應(yīng)用廣泛的新型高強高韌鋁合金，關(guān)于該合金耐蝕性的研究主要集中在熱處理工藝及微合金化元素對合金耐蝕性的影響上。陳永來等研究表明，該高強鋁鋰合金在固溶態(tài)下具有較好的耐晶間腐蝕性和抗剝落腐蝕性，且隨著時效時間的延長，合金的耐蝕性會變差。張海峰等研究發(fā)現(xiàn)，隨著時效時間延長，Al-Mg-Zn-Cu-Z r合金的抗晶間腐蝕和剝落腐蝕能力增加。陳圓圓等研究表明，隨著時效時間的延長，2197合金的抗晶間腐蝕和剝落腐蝕性增加，即過時效>峰時效>欠時效；且T8態(tài)的耐蝕性優(yōu)于T6態(tài)。林毅等發(fā)現(xiàn)，將2A97合金經(jīng)過5%預(yù)變形+100℃×1.5 h+5%中間變形+160℃工藝處理后能獲得良好的綜合性能，其中合金的平均晶間腐蝕深度僅為22 μm。廖忠全等研究表明，雙級時效制度更有利于提高2A97合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，且隨著終時效時間的延長，合金的力學(xué)性能和耐蝕性能顯著增加。ZHANG Y等指出，不同時效狀態(tài)下的8090合金的抗晶間腐蝕和剝落腐蝕能力為：自然時效>過時效>峰時效。李運春研究表明，含鈧Al-Cu-Li-Z r合金在時效過程中會形成-δ’Al3Sc或δ’-Al3（Sc1-xZrx）復(fù)合相，該相會對位錯起到強烈的釘扎作用，能有效阻礙T1相及平衡相的長大，提高合金的耐蝕性。潘清林等指出，對于含Sc的Al-Cu-Li-Z r合金而言，其抗晶間腐蝕與剝落腐蝕的能力為：自然時效>欠時效>峰時效>過時效。Ag的添加能加快Al-Cu-Li合金的時效響應(yīng)速率，同時能與Mg、Zn形成Mg-Ag、Mg-Zn( Ag-Zn)原子團(tuán)簇，促進(jìn)Ti相的析出，提高合金的硬度與強度。然而，目前有關(guān)Ag對Al-Cu-Li系合金耐蝕性的影響研究很少。本課題制備了4種不同Ag含量的Al-Cu-Li合金，研究了Al-Cu-Li合金的晶間腐蝕行為，考察Ag含量對Al-Cu-Li合金的晶間腐蝕抗力的影響。
1 合金的制備與試驗方法
1.1 合金制備
Al-Cu-Li合金的實際化學(xué)成分見表1，由Al-50.2Cu、Al-27L1、Al-4512r、Al-l. 59Sc、Al-9. 66Ag等中間合金及純Mg (99. 9%)、純Al(99. 85%)配制而成。用SG2-7. 5-105型井式電阻爐進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750 ℃。合金熔煉后在730℃保溫10 min，澆注于直徑為90 mm經(jīng)250℃預(yù)熱的金屬型中。接著在SX-4-10型箱式電阻爐中進(jìn)行480℃×24 h的均勻化處理，空冷。經(jīng)均勻化處理的鑄錠在480℃電阻爐中保溫2h后用2300T型擠壓機將直徑為90 mm的鑄錠擠壓成直徑45 mm的棒狀。固溶工藝為530℃×2h水淬，轉(zhuǎn)移時間≤10 s，時效工藝為180℃×24 h。
1.2試驗方法
晶間腐蝕按照GBT 7998-2005進(jìn)行。面容比（試樣的表面積與腐蝕介質(zhì)容積的比值）為80 cm2／L，試驗溫度為(35±2)℃，在由1L去離子水+35 g NaCl+10m L密度為1.1 g／m L的H2 O2組成的鹽溶液中浸泡6h。然后將試樣截面進(jìn)行磨制與拋光，采用金相顯微鏡觀察并測量最大晶間腐蝕深度。電化學(xué)極化曲線按GBT 24196-2009測定。在Corrtest電化學(xué)測試系統(tǒng)上動電位極化進(jìn)行測量，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。電壓范圍為-0. 8～0 V，掃描速率為5mV／s，工作電極面積為0.5 cm×0.5 cm。在JEM2100透射電鏡上觀察合金的腐蝕形貌，加速電壓為200 kV。
2 試驗結(jié)果
2.1 Al-Cu-Li合金組織和硬度
圖1為不同Ag含量的Al-Cu-Li合金經(jīng)T6處理后的微觀組織，組織中的典型析出物形貌見圖2�？梢钥闯�，盡管在低倍組織中很難觀察到不同Ag含量Al-Cu-Li合金的微觀組織差別，在高倍組織中析出相的形貌有很大的差異。盡管不加Ag（B1合金）和添加0. 4%的Ag（B3合金）試樣中均可以觀察到大量的針狀T1相和明顯的無析出帶(PFZ)，但是B3試樣中的析出
相數(shù)量更多，尺寸更大且B3試樣的PFZ也較B1試樣的寬。除此之外，B3試樣中晶界處出現(xiàn)了更多的析出物，并且存在有一些粗大的析出相，這種不同Ag含量的Al-Cu-Li合金的微觀組織的差異將會對合金的力學(xué)性能和耐蝕性能產(chǎn)生影響。
圖3是不同Ag含量擠壓態(tài)和T6態(tài)合金的硬度曲線�？梢钥闯�，在擠壓態(tài)下，Ag的加入使合金的硬度先增加后降低，整體而言，合金的硬度較低。經(jīng)T6處理后，合金的硬度明顯高于擠壓態(tài)，且隨著Ag含量的增加，合金的硬度幾乎呈線性增加。這表明，經(jīng)過T6時效后，由于Ag明顯增加了T1相析出物的數(shù)量，減小了析出相的尺寸，因此，T1相具有更好的彌散強化效果，從而使得含Ag合金具有更高的強度和硬度。
2.2 Al-Cu-Li合金晶間腐蝕行為
圖4是不同Ag含量的Al-C u-Li合金經(jīng)T6處理后在鹽水中浸蝕6h后的表面腐蝕形貌�？梢钥闯�，Ag含量對合金表面的腐蝕程度有一定的影響，隨著Ag含量的增加，腐蝕坑數(shù)量逐漸增加，腐蝕坑尺寸逐漸增大。圖5為不同Ag含量的Al-Cu-Li合金經(jīng)T6處理后在鹽水中浸蝕6 h后橫截面的腐蝕形貌�？梢钥闯觯瑑煞N合金均顯示出典型的晶間腐蝕形貌，且腐蝕總是從合金表面開始并逐漸沿晶界向晶內(nèi)延伸，Ag含量為0. 6%的Al-Cu- Li合金還表現(xiàn)出明顯的晶粒剝落現(xiàn)象。為進(jìn)一步分析不同Ag含量合金的晶間腐蝕差異，對T6態(tài)合金的晶間腐蝕深度進(jìn)行了測量，結(jié)果見圖6�？梢钥闯�，隨著Ag含量的增加，合金的晶間腐蝕深度逐漸增大，Ag的添加明顯降低了Al-Cu-Li合金在T6態(tài)下的晶間腐蝕抗力。
為進(jìn)一步分析Ag對合金耐蝕性能的影響，對T6處理后的4種含Ag合金進(jìn)行了電化學(xué)分析，結(jié)果見圖7和圖8。可以看出，隨Ag含量的增加，合金的自腐蝕電位逐漸降低，自腐蝕電流密度逐漸增大，這表明，盡管T6處理能夠提高Al-Cu-Li合金的力學(xué)性能，但Ag的
添加增加了合金的腐蝕傾向，加快了合金的腐蝕速度。
3 分析與討論
Al-Cu-Li合金在T6態(tài)下析出了大量的針狀T1相，且存在明顯的PFZ。已有的研究結(jié)果表明，合金中存在的T1相和PFZ在晶間腐蝕介質(zhì)中的開路電位(分別為-0. 77 V和-0. 78 V)均明顯低于a-Al基體(約-0. 62 V)，兩者與基體存在的電位差為晶間腐蝕提供了化學(xué)驅(qū)動力。當(dāng)向Al-Cu-Li合金中添加一定量的Ag以后，Ag與Mg有可能在T1／a的交界面上偏聚，進(jìn)而促進(jìn)T1相的析出。Mg、Ag原子在T1相周圍的偏聚進(jìn)而形成的Mg-Ag原子團(tuán)簇將降低T1相的電位，增加T1與a-Al基體的電位差，從而導(dǎo)致晶間腐蝕驅(qū)動力增加，合金耐蝕性降低。此外，如果第二相粒子（如T1相）同時含有Cu等不活潑元素和Li、Mg等活潑元素，在晶間腐蝕介質(zhì)中會優(yōu)先發(fā)生活潑元素的選擇性溶解。
在腐蝕初期，由于T1相的電位比PFZ稍負(fù)，T1相會作為唯一的陽極發(fā)生溶解。待T1相內(nèi)的L1元素優(yōu)先選擇性溶解完后，其電位會正移。這時T1相附近的PFZ會成為新的陽極溶解，直到新的T1相裸露出來重新作為陽極，二者交替進(jìn)行，完成晶間腐蝕全過程。根據(jù)TEM分析結(jié)果（見圖2），含Ag的Al-Cu-Li合金的PFZ較不含Ag的Al-Cu-Li合金的PFZ寬，故含
Ag的Al-Cu-Li合金的耐蝕性會降低。此外，晶界是否連續(xù)也是晶間腐蝕能否順利進(jìn)行的前提。連續(xù)的晶界在晶間腐蝕過程中會作為腐蝕通道加快腐蝕進(jìn)程。不含Ag的Al-Cu-Li合金的晶界析出相比含Ag的Al-Cu-Li合金的晶界析出相少，當(dāng)晶界析出相不連續(xù)時會切斷腐蝕通道，進(jìn)而提高合金的耐蝕性，這也是不含Ag的Al-Cu-Li合金耐蝕性比含Ag的耐蝕性好的另一個
原因。
4 結(jié) 論
(1) Ag的添加改變了Al-Cu-Li合金T6處理后的T1相的形貌，增加了T1相數(shù)量，使PFZ變寬，且出現(xiàn)了較多的晶界析出物，這可能會造成合金強度有所增加。
(2)隨著Ag含量的增加，Al-Cu-Li合金的自腐蝕電位下降，自腐蝕電流密度增加，合金的晶間腐蝕深度逐漸增大，因此，Ag的添加降低了T6態(tài)Al-Cu-Li合金的抗晶間腐蝕能力。
(3)含Ag的Al-Cu-Li合金較低的晶間腐蝕抗力源于T6處理后合金析出的具有較低電位的大量T1相和較寬的PFZ。同時Ag促使T1相周圍吸附更多的Mg原子團(tuán)簇，增加了T1相與基體的電位差是降低合金耐蝕性的另一個原因。
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