王 佳

(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所， 洛阳 471023；
2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室， 洛阳 471023)

铝合金被广泛应用于航海、航空、交通运输等领域[1-8]，且出现了许多新型的铝合金，如5083铝合金[9]。5083铝合金的强度高、焊接性好、耐腐蚀性强[10-11]，是制作船板的重要材料之一，但由于该合金常年处于海洋大气、水等环境中，因此由5083铝合金制作的船舶板材仍不可避免地会发生腐蚀。国内每年由腐蚀造成的损失很高[9]，其中较为常见的一种腐蚀形式是晶间腐蚀。国内外已有多位学者对5XXX系铝合金的晶间腐蚀进行过研究，JONES等[12-13]对5XXX系铝合金的析出相进行了研究，发现Mg为5XXX系铝合金的主要强化元素，Al3Mg2相为5XXX系铝合金的主要析出相，Mg原子固溶在铝基体中能明显提高铝合金的强度，但是当铝合金中Mg元素的质量分数超过3.5%时，在温度为50～200 ℃下使用一段时间后，铝合金会出现晶间腐蚀与应力腐蚀的倾向。DAVENPORT等[14]研究了敏化时间对AA5182铝合金耐晶间腐蚀性能的影响，发现晶界角度取向差小于20°的铝合金比大角度晶界铝合金更耐腐蚀。林洪才等[15]通过改变成型工艺，发现了5059铝合金热轧板材在一定条件下会发生部分再结晶，其耐腐蚀性明显提高。

有关于5XXX系铝合金的晶间腐蚀机制的研究较多[16-19]，但多集中于成型工艺、腐蚀机制以及影响因素上，对发生晶间腐蚀后的外在表现研究较少。笔者所在课题组在前期研究时发现,同一批次的5083铝合金试样在晶间腐蚀试验后，其腐蚀速率差异较大。笔者从5083铝合金发生晶间腐蚀后的表面形貌入手，深入分析了同种试样产生晶间腐蚀差异的原因。

试验材料为10 mm厚的5083铝合金板材，其化学成分如表1所示，热处理状态为H116态。晶间腐蚀试验所用的试样尺寸(长×宽×高)为50 mm×6 mm×10 mm，试样结构如图1所示。

表1 5083-H116态铝合金的化学成分 %

图1 晶间腐蚀试验试样结构示意

晶间腐蚀试验参照ASTM G67-18(2018) 《采用质量损失法测试5XXX系铝合金暴露在硝酸中的晶间腐蚀标准试验法》，试验所用腐蚀介质为试剂级浓硝酸(质量分数为70%)，溶液体积与试样面积的比值为50 L/m2，温度为(30±0.1) ℃，浸泡24 h后取出试样。

采用光学显微镜对试样表面进行观察；
采用扫描电镜(SEM)观察试样的表面形貌；
采用透射电镜(TEM)对析出物、夹杂物、第二相进行观察，TEM测试的试样经机械减薄后，再进行电解双喷穿孔，电解液为25%(体积分数)硝酸和75%(体积分数)甲醇的混合液。

2.1 晶间腐蚀试验

对不同批次的5083-H116态铝合金试样进行晶间腐蚀试验，试验结束后，选取较为典型的3个平行试样进行研究，其质量变化及腐蚀速率如表2所示，腐蚀后有典型特征的T面宏观形貌如图2所示，R面及N面在试验后宏观形貌无明显差别。由图2可知：经晶间腐蚀试验后，试样表面发黑，部分试样有“白色亮条”。中间部位有“白色亮条”的3#试样的腐蚀速率相较于1#，2#试样，其腐蚀速率更低。由此可见，有“白色亮条”的5083铝合金试样的耐晶间腐蚀性能更好。

表2 晶间腐蚀试验后试样的质量变化及腐蚀速率

图2 5083-H116态铝合金晶间腐蚀试验后的T面宏观形貌

2.2 T面扫描电镜及能谱分析

为研究晶间腐蚀后试样上“白色亮条”的成因，选取同批次试验中腐蚀速率差异较大的1#试样与3#试样进行研究。图3为1#试样与3#试样的T面SEM形貌，可见1#试样表面3个区域均匀分布着许多细小裂纹，对比图3a)和图3b)可以发现，中心区域(区域Ⅱ)的裂纹SEM形貌差异较大，“白色亮条”区域的裂纹明显较少，且少于同试样表面两侧区域(区域I、Ш)。

图3 1#试样与3#试样的T面SEM形貌

为分析试样中间与两侧腐蚀程度的差异，分别对1#试样与3#试样中红色框内的元素进行能谱分析，结果如图4所示。从图4可知：试样中基体合金除Al元素外，含量较高的是Mg元素，两侧的Mg元素含量均略高于试样的中心，但将1#试样与3#试样中相同区域元素的质量分数进行对比，发现二者差异不明显。

图4 1#试样和3#试样的能谱分析结果

2.3 金相检验

图5为1#，3#试样抛光后的微观形貌，可以发现1#试样中仍有大量裂纹，而有“白色亮条”的3#试样中裂纹极少。图6为两个试样经过体积分数为40%的磷酸水溶液腐蚀后的微观形貌，从图6可以发现：试样中的晶界均存在点链状的析出相，两者均沿晶间存在裂纹，即在抛光态下观察到的裂纹为晶间腐蚀裂纹。结合试样晶间腐蚀后的腐蚀速率可以发现，有“白色亮条”试样的耐晶间腐蚀性能更好。

图5 1#试样与3#试样的抛光态微观形貌

图6 1#试样与3#试样经过腐蚀后的微观形貌

2.4 晶间腐蚀深度及晶粒度测试

图7为利用光学显微镜观察到的试样T面的晶间腐蚀深度，由图7可知：1#试样中的晶间腐蚀裂纹相较于3#试样要更多且更深，1#试样中间部位的晶间腐蚀裂纹相较于两侧的深度较浅；
3#试样中间部位的晶间腐蚀裂纹虽有个别较深，但总体相较于两侧的裂纹数量更少、腐蚀深度更浅。1#试样中心部位的晶间腐蚀最深处为357 μm，3#试样中心部位的晶间腐蚀最深处为291 μm。由此可见，试验所用的5083铝合金试样两侧的耐晶间腐蚀性能要弱于中心部位，3#试样中的晶间腐蚀深度小于1#试样。

图7 1#试样与3#试样T面晶间腐蚀深度的测量结果

图8为1#试样与3#试样中心部位的微观形貌，由图8可知：二者的晶粒皆为拉长纤维状，1#试样中的晶粒尺寸基本与框线内的晶粒尺寸相同，3#试样中框线内的晶粒为该试样中晶粒尺寸最大的，其余晶粒的尺寸较其要小得多，相同晶粒之间呈不连续分布，但较1#试样中的晶粒分布要更连续、更均匀，即3#试样中的晶粒度更大。

图8 1#试样与3#试样中心部位的微观形貌

2.5 第二相及晶界析出物分析

图9为利用二次电子得到的1#试样与3#试样中心与两侧的SEM形貌，其中图9中左上角和右上角为1#试样两侧与中心部位的SEM形貌，图9中左下角和右下角为3#试样两侧与中心部位的微观形貌，试样为抛光后，在硝酸中浸泡5 h后的状态。由图9可见，在二次电子的作用下，可清晰看到试样晶界呈条带状分布，晶界边缘处有亮白色物质，利用能谱仪对其成分进行分析，可以发现主要成分为Al、Mg、Mn、O等元素。由于试样前期经过硝酸浸泡，故其中的O元素应该是铝合金在硝酸中钝化得到的，而晶界边缘处的亮白色物质为含锰元素的铝/镁化合物。

图10为1#试样与3#试样的TEM形貌及能谱分析结果。由图10可知：5083铝合金中主要存在两种成分的第二相，一种是图10a)，10b)中的含锰相，另一种是图10c)，10d)中的含铁相。在两个试样中相同成分的相之间，不同元素的含量有差异，反映在第二相中，最直观的表现便是颜色的深浅程度不同。由于TEM所选区域极小，仅能表征部分典型形貌特征，无法从宏观特征上总结第二相的多少与腐蚀速率的直接关系，因此由透射电镜仅可得到5083铝合金中的第二相为含锰相与含铁相。

图10 1#试样与3#试样的TEM形貌及能谱分析结果

1#试样与3#试样为同种5083铝合金，经晶间腐蚀后的腐蚀速率差异却较大，在光学显微镜下观察腐蚀深度的差异，可明显看出试样的晶间腐蚀深度呈两侧深、中间浅的趋势，且1#试样较3#试样的深度更深，表现在试样形貌上为3#试样有肉眼可见的“白色亮条”，即有“白色亮条”特征的3#试样的耐晶间腐蚀性能更好。

同种材料试样的腐蚀程度存在差异可能有以下原因：① 受第二相的影响，从TEM观察中发现5083铝合金的第二相为含锰相及含铁相，1#试样与3#试样中的第二相并无明显区别，故腐蚀速率的差异应与合金的第二相无关；
② 成分偏析，由扫描电镜观察结果可以发现，1#试样与3#试样均存在两侧Mg元素含量略高于中间部位的现象，这与晶间腐蚀深度测试的规律相吻合，即两侧腐蚀深度较中间部位更深，但两试样相同部位的Mg元素含量差异不大，因此Mg元素含量的不同，仅会造成试样中间与两侧腐蚀深度的不同，与两个试样腐蚀速率的差异无关；
③ 受试样晶粒度的影响，同种材料在轧制过程中并不是完全均匀的，而铝合金试样在成分相同的情况下，晶界上的析出物应是相同的，晶粒越大，析出物分布在每个晶界上相应更少，其耐晶间腐蚀性能更好。同批次试样腐蚀速率的差异与晶粒度密切相关，晶粒度越大，拉长纤维状晶粒越连续，试样的耐晶间腐蚀性能越好；
而由于成分偏析，Mg元素更倾向于向试样两侧聚集，晶间腐蚀深度呈中间小、两侧大的趋势，故在晶粒度与Mg元素偏析的联合作用下，晶间腐蚀速率较小的试样在晶间腐蚀试验后，中间部位出现“白色亮条”，成为耐晶间腐蚀性能良好的标志。

(1) 5083铝合金发生晶间腐蚀后，有“白色亮条”试样的腐蚀速率更小，耐晶间腐蚀性能更好，其晶间腐蚀裂纹相较于同批次其他试样更浅、更少。

(2) 在同一5083铝合金试样上，Mg元素更倾向于在试样两侧偏析，导致试样晶间腐蚀裂纹呈中间浅、两侧深的趋势。

(3) 同批次5083铝合金的晶粒度越大，拉长纤维状晶粒越连续，晶界析出物相应更少，耐晶间腐蚀性能更好。

(4) 在晶粒度较大，以及Mg元素向两侧偏析的联合作用下，5083铝合金试样上会出现“白色亮条”。

猜你喜欢 晶间腐蚀晶界晶粒 晶界工程对316L不锈钢晶界形貌影响的三维研究上海金属(2022年4期)2022-08-03基于截断球状模型的Fe扭转晶界的能量计算中国新技术新产品(2022年7期)2022-07-14运动晶界与调幅分解相互作用过程的相场法研究*物理学报(2022年7期)2022-04-15Y2O3–CeO2双相弥散强化对Mo合金晶粒度及拉伸性能的影响粉末冶金技术(2021年3期)2021-07-28循环应变- 高温退火制备Al-Cu-Li 合金单晶有色金属科学与工程(2021年1期)2021-03-04不同取向7020铝合金试样的晶间腐蚀机理研究铝加工(2020年2期)2020-05-12甘草次酸球晶粒径与体外溶出行为的关系中成药(2019年12期)2020-01-04690TT传热管和I-800传热管晶间腐蚀试验研究商品与质量(2019年12期)2019-07-24超粗晶粒硬质合金截齿性能表征参数的探讨凿岩机械气动工具(2016年3期)2016-03-01基于修正球形双晶模型的金属Al晶界能分子动力学计算中国有色金属学报(2015年11期)2015-03-26