不同取向7020铝合金试样的晶间腐蚀机理研究

王 操，张 东，张丽丽，苗承义，王丽萍

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

近年来，随着轻量化材料概念的提出与推广，7×××系合金成为铝合金中具有高强度、高韧性和高耐蚀性的典型合金之一[1]。而7020铝合金作为7×××系铝合金中最具有典型代表性的可热处理强化中强铝合金，因其具有质量轻、强度高、金属成形性强及可焊接等优异性能而被广泛用于航空航天、轨道交通等领域[2]。

随着7×××系合金的广泛应用，其不仅须满足较高强度的需要，还需要具有较高的抗腐蚀能力[3-4]。贺春林等总结了晶间腐蚀的研究进展[5]。黄明初等研究了晶粒对7475铝合金晶间腐蚀程度的影响，表明铝合金抗腐蚀能力与晶粒电位差大小有关[6]。以上研究均是基于同一取向晶间腐蚀对材料组织的影响，而对于铝合金挤压型材不同取向晶间腐蚀能力的研究鲜有报道。

本文针对7020铝合金挤压板材试样的不同取向，结合GB/T 7998-2005与HB 5257-83，系统研究了垂直挤压方向与沿挤压方向两种取向试样的晶间腐蚀行为，并结合晶间腐蚀形貌，给出不同取向试样的晶间腐蚀规律。

1 试验材料与方法

试验材料为10mm 厚的7020铝合金挤压板材，其热处理状态为T6，化学成分如表1所示。

表1 7020铝合金挤压板材化学成分（质量分数%）

晶间腐蚀试样为25mm×25mm×10mm 的长方体薄板，按GB/T 7998-2005中的预处理工艺处理后，再进行6h的晶间腐蚀封样处理。

晶间腐蚀试验根据GB/T 7998-2005进行。试验前对试样腐蚀面进行预处理，步骤如下：先用乙醇擦净无包铝试样表面油污，然后将其浸入氢氧化钠溶液5min～15min。取出试样，用水洗净，再浸入硝酸溶液中，直至表面光洁。取出试样，用水洗净，放入烘干炉中烘干后用材料天平进行称重并记录。将样品垂直立于腐蚀溶液（腐蚀介质为：57g NaCl+10mLH2O2+1LH2O）中浸泡，溶液体积与试样表面积之比不少于5mL/cm2，温度控制在（35±1）℃。在腐蚀1h、2h、3h、4h、5h、6h后的每个时间点进行取样称重，分析其不同取向方向上的晶间腐蚀失重情况。将腐蚀6h、16h、24h时间点的样品垂直检测面方向一段切去5mm 后制备不同取向金相试样，并在金相显微镜上观测晶间腐蚀深度及晶间腐蚀形貌。根据HB 5257-83要求进行腐蚀实验结果的重量损失测定及腐蚀产物清除。

2 试验结果

2.1 晶间腐蚀深度形貌

经过不同时间腐蚀后，试样垂直于挤压方向与沿挤压方向的组织晶间腐蚀深度形貌如图1所示。从图中可知，随着腐蚀时间的增加，试样晶间腐蚀深度加深，同时腐蚀趋于横向扩展；相同腐蚀时间下，试样沿挤压方向的晶间腐蚀深度较垂直挤压方向的更深，晶间腐蚀宽度也更窄。

对晶间腐蚀24h后的试样进行电化学腐蚀表面处理，观察其晶粒晶间腐蚀情况，结果如图2所示。沿挤压方向的腐蚀沿着细长晶粒的晶界向材料内部扩展；垂直挤压方向的腐蚀沿着晶界向周围扩展。分析可知，晶间腐蚀是沿着晶界扩展，垂直挤压方向的晶粒为细小等轴状晶粒，腐蚀在扩展到晶界交界处时会沿各向晶界分支扩展。

2.2 晶间腐蚀失重动力学

分别计算不同取向试样经不同时间晶间腐蚀后的失重情况，其结果见表2。根据失重绘制失重拟合曲线，如图3所示。由图3可知，沿挤压方向晶间腐蚀试样失重略高于垂直挤压方向晶间腐蚀试样。结合晶间腐蚀深度形貌可知，沿挤压方向单位体积内晶粒较多，更有利于晶间腐蚀发展；另一方面，沿挤压方向的晶界短小杂乱，晶粒之间堆叠较小，所以晶粒的晶界被完全腐蚀的可能性较大，即随着晶间腐蚀的进行，沿挤压方向出现晶间腐蚀的组织中会有较多的腐蚀产物脱落。

表2 不同取向晶间腐蚀失重

腐蚀数据常采用幂函数进行拟合，图3中的曲线拟合公式为W=a·tb，拟合参数如表3所示。式中W代表腐蚀失重，g；a、b为常数；t表示腐蚀时间，h。比较表中的相关系数R 值可知：曲线拟合程度很高，很好地表现了腐蚀失重随腐蚀时间的变化规律，常数a、b变化不大。

表3 腐蚀失重曲线拟合参数值

对腐蚀失重进行计算，得到平均腐蚀速度曲线图，见图4。从图中可知，不同取向晶间腐蚀走向非常接近，在0～1h 时间内，晶间腐蚀速度非常大，主要是由于此期间腐蚀刚刚开始，铝合金基体完全暴露于腐蚀溶液中，所以腐蚀发展非常迅速。腐蚀速度在1h 达到最高峰，之后开始下降。主要是因为在1h 后材料点蚀达到饱和状态，腐蚀产物开始在表面堆积，铝合金基体因为腐蚀产物的覆盖和腐蚀溶液接触面的减少，使得腐蚀速度开始下降。腐蚀时间达到3h 时，由于腐蚀产物剥落，不同取向试样的腐蚀速度有所提高，但总体上不同取向试样的腐蚀速度是下降的。

3 分析与讨论

材料在挤压过程中沿挤压方向晶粒变形被拉长，整个晶粒呈现长条状。垂直于挤压方向晶粒呈等轴状，晶粒也主要由细小的亚晶和粗大的再结晶晶粒组成。晶间腐蚀的产生主要是由于晶粒间的电位差使阳极晶粒被腐蚀而形成，且沿着晶界扩展。7020挤压态铝合金经T6处理后，晶界处析出大量连续第二相，与晶粒内部产生较大电位差，形成晶间腐蚀，沿挤压方向晶粒细长，晶间腐蚀呈针状向材料内部进行，腐蚀速度较快；垂直于挤压方向晶粒多为等轴晶粒，晶间腐蚀多呈层状向材料内部腐蚀，腐蚀面积较大。

4 结论

（1）不同取向的晶间腐蚀均始于晶界处，沿晶界扩展。

（2）由挤压造成的形状不均匀导致不同取向的试样晶间腐蚀情况存在较大差异，沿挤压方向试样晶粒被拉长，晶间腐蚀深度较大。

（3）晶间腐蚀失重研究表明，沿挤压方向腐蚀失重最大，有较多的腐蚀产物脱落。采用幂函数方法对不同取向晶间腐蚀试样失重曲线进行了拟合，得到了不同取向腐蚀失重随时间变化的拟合方程。