Ag含量对Al-Cu-Li合金晶间腐蚀行为的影响

 方成栋  杨瑞宾  王飞舟  刘忠侠

 （郑州大学物理工程学院，材料物理教育部重点实验室）

 摘  要通过盐水浸泡法与电化学腐蚀试验，研究了4种Ag含量的T6态Al-Cu-Li合金的晶间腐蚀性能。发现随着Ag含量的增加，合金的自腐蚀电位下降，自腐蚀电流密度增加，晶间腐蚀深度逐渐增加，因此，Ag的添加降低了T6态合金的抗晶间腐蚀能力。原因在于含Ag合金析出的具有较低电位的大量T1相和较宽的PFZ;同时Ag促使T1相周围吸附更多的Mg原子团簇，增加了T1相与基体的电位差。

 关键词  Al-Cu-Li合金；晶间腐蚀；Ag含量；微观组织

 中图分类号  TG146. 21;  TG174.3+3 DOI:10.  15 980/j. tzzz. 2016. 05. 025

 晶间腐蚀是一种在弱氧化性或氧化性介质中发生的沿着晶界向金属内部扩展的局部腐蚀。晶间腐蚀常发生在合金内部，是一种十分有害的腐蚀行为。Al-Cu-Li合金是一种应用广泛的新型高强高韧铝合金，关于该合金耐蚀性的研究主要集中在热处理工艺及微合金化元素对合金耐蚀性的影响上。陈永来等研究表明，该高强铝锂合金在固溶态下具有较好的耐晶间腐蚀性和抗剥落腐蚀性，且随着时效时间的延长，合金的耐蚀性会变差。张海峰等研究发现，随着时效时间延长，Al-Mg-Zn-Cu-Z r合金的抗晶间腐蚀和剥落腐蚀能力增加。陈圆圆等研究表明，随着时效时间的延长，2197合金的抗晶间腐蚀和剥落腐蚀性增加，即过时效>峰时效>欠时效；且T8态的耐蚀性优于T6态。林毅等发现，将2A97合金经过5%预变形+100℃×1.5 h+5%中间变形+160℃工艺处理后能获得良好的综合性能，其中合金的平均晶间腐蚀深度仅为22 μm。廖忠全等研究表明，双级时效制度更有利于提高2A97合金的力学性能和耐腐蚀性能，且随着终时效时间的延长，合金的力学性能和耐蚀性能显著增加。ZHANG Y等指出，不同时效状态下的8090合金的抗晶间腐蚀和剥落腐蚀能力为：自然时效>过时效>峰时效。李运春研究表明，含钪Al-Cu-Li-Z r合金在时效过程中会形成-δ’Al3Sc或δ’-Al3（Sc1-xZrx）复合相，该相会对位错起到强烈的钉扎作用，能有效阻碍T1相及平衡相的长大，提高合金的耐蚀性。潘清林等指出，对于含Sc的Al-Cu-Li-Z r合金而言，其抗晶间腐蚀与剥落腐蚀的能力为：自然时效>欠时效>峰时效>过时效。Ag的添加能加快Al-Cu-Li合金的时效响应速率，同时能与Mg、Zn形成Mg-Ag、Mg-Zn( Ag-Zn)原子团簇，促进Ti相的析出，提高合金的硬度与强度。然而，目前有关Ag对Al-Cu-Li系合金耐蚀性的影响研究很少。本课题制备了4种不同Ag含量的Al-Cu-Li合金，研究了Al-Cu-Li合金的晶间腐蚀行为，考察Ag含量对Al-Cu-Li合金的晶间腐蚀抗力的影响。

1  合金的制备与试验方法

1.1  合金制备

 Al-Cu-Li合金的实际化学成分见表1，由Al-50.2Cu、Al-27L1、Al-4512r、Al-l. 59Sc、Al-9. 66Ag等中间合金及纯Mg (99. 9%)、纯Al(99. 85%)配制而成。用SG2-7. 5-105型井式电阻炉进行熔炼，熔炼温度为750 ℃。合金熔炼后在730℃保温10 min，浇注于直径为90 mm经250℃预热的金属型中。接着在SX-4-10型箱式电阻炉中进行480℃×24 h的均匀化处理，空冷。经均匀化处理的铸锭在480℃电阻炉中保温2h后用2300T型挤压机将直径为90 mm的铸锭挤压成直径45 mm的棒状。固溶工艺为530℃×2h水淬，转移时间≤10 s，时效工艺为180℃×24 h。

  1.2试验方法

 晶间腐蚀按照GBT 7998-2005进行。面容比（试样的表面积与腐蚀介质容积的比值）为80 cm2／L，试验温度为(35±2)℃，在由1L去离子水+35 g NaCl+10m L密度为1.1 g／m L的H2 O2组成的盐溶液中浸泡6h。然后将试样截面进行磨制与抛光，采用金相显微镜观察并测量最大晶间腐蚀深度。电化学极化曲线按GBT 24196-2009测定。在Corrtest电化学测试系统上动电位极化进行测量，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。电压范围为-0. 8～0 V，扫描速率为5mV／s，工作电极面积为0.5 cm×0.5 cm。在JEM2100透射电镜上观察合金的腐蚀形貌，加速电压为200 kV。

  2  试验结果

  2.1 Al-Cu-Li合金组织和硬度

 图1为不同Ag含量的Al-Cu-Li合金经T6处理后的微观组织，组织中的典型析出物形貌见图2。可以看出，尽管在低倍组织中很难观察到不同Ag含量Al-Cu-Li合金的微观组织差别，在高倍组织中析出相的形貌有很大的差异。尽管不加Ag（B1合金）和添加0. 4%的Ag（B3合金）试样中均可以观察到大量的针状T1相和明显的无析出带(PFZ)，但是B3试样中的析出

  相数量更多，尺寸更大且B3试样的PFZ也较B1试样的宽。除此之外，B3试样中晶界处出现了更多的析出物，并且存在有一些粗大的析出相，这种不同Ag含量的Al-Cu-Li合金的微观组织的差异将会对合金的力学性能和耐蚀性能产生影响。

 图3是不同Ag含量挤压态和T6态合金的硬度曲线。可以看出，在挤压态下，Ag的加入使合金的硬度先增加后降低，整体而言，合金的硬度较低。经T6处理后，合金的硬度明显高于挤压态，且随着Ag含量的增加，合金的硬度几乎呈线性增加。这表明，经过T6时效后，由于Ag明显增加了T1相析出物的数量，减小了析出相的尺寸，因此，T1相具有更好的弥散强化效果，从而使得含Ag合金具有更高的强度和硬度。

2.2 Al-Cu-Li合金晶间腐蚀行为

 图4是不同Ag含量的Al-C u-Li合金经T6处理后在盐水中浸蚀6h后的表面腐蚀形貌。可以看出，Ag含量对合金表面的腐蚀程度有一定的影响，随着Ag含量的增加，腐蚀坑数量逐渐增加，腐蚀坑尺寸逐渐增大。图5为不同Ag含量的Al-Cu-Li合金经T6处理后在盐水中浸蚀6 h后横截面的腐蚀形貌。可以看出，两种合金均显示出典型的晶间腐蚀形貌，且腐蚀总是从合金表面开始并逐渐沿晶界向晶内延伸，Ag含量为0. 6%的Al-Cu- Li合金还表现出明显的晶粒剥落现象。为进一步分析不同Ag含量合金的晶间腐蚀差异，对T6态合金的晶间腐蚀深度进行了测量，结果见图6。可以看出，随着Ag含量的增加，合金的晶间腐蚀深度逐渐增大，Ag的添加明显降低了Al-Cu-Li合金在T6态下的晶间腐蚀抗力。

 为进一步分析Ag对合金耐蚀性能的影响，对T6处理后的4种含Ag合金进行了电化学分析，结果见图7和图8。可以看出，随Ag含量的增加，合金的自腐蚀电位逐渐降低，自腐蚀电流密度逐渐增大，这表明，尽管T6处理能够提高Al-Cu-Li合金的力学性能，但Ag的

添加增加了合金的腐蚀倾向，加快了合金的腐蚀速度。

3  分析与讨论

 Al-Cu-Li合金在T6态下析出了大量的针状T1相，且存在明显的PFZ。已有的研究结果表明，合金中存在的T1相和PFZ在晶间腐蚀介质中的开路电位(分别为-0. 77 V和-0. 78 V)均明显低于a-Al基体(约-0. 62 V)，两者与基体存在的电位差为晶间腐蚀提供了化学驱动力。当向Al-Cu-Li合金中添加一定量的Ag以后，Ag与Mg有可能在T1／a的交界面上偏聚，进而促进T1相的析出。Mg、Ag原子在T1相周围的偏聚进而形成的Mg-Ag原子团簇将降低T1相的电位，增加T1与a-Al基体的电位差，从而导致晶间腐蚀驱动力增加，合金耐蚀性降低。此外，如果第二相粒子（如T1相）同时含有Cu等不活泼元素和Li、Mg等活泼元素，在晶间腐蚀介质中会优先发生活泼元素的选择性溶解。

 在腐蚀初期，由于T1相的电位比PFZ稍负，T1相会作为唯一的阳极发生溶解。待T1相内的L1元素优先选择性溶解完后，其电位会正移。这时T1相附近的PFZ会成为新的阳极溶解，直到新的T1相裸露出来重新作为阳极，二者交替进行，完成晶间腐蚀全过程。根据TEM分析结果（见图2），含Ag的Al-Cu-Li合金的PFZ较不含Ag的Al-Cu-Li合金的PFZ宽，故含

Ag的Al-Cu-Li合金的耐蚀性会降低。此外，晶界是否连续也是晶间腐蚀能否顺利进行的前提。连续的晶界在晶间腐蚀过程中会作为腐蚀通道加快腐蚀进程。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，当晶界析出相不连续时会切断腐蚀通道，进而提高合金的耐蚀性，这也是不含Ag的Al-Cu-Li合金耐蚀性比含Ag的耐蚀性好的另一个

原因。

4  结  论

 (1) Ag的添加改变了Al-Cu-Li合金T6处理后的T1相的形貌，增加了T1相数量，使PFZ变宽，且出现了较多的晶界析出物，这可能会造成合金强度有所增加。

 (2)随着Ag含量的增加，Al-Cu-Li合金的自腐蚀电位下降，自腐蚀电流密度增加，合金的晶间腐蚀深度逐渐增大，因此，Ag的添加降低了T6态Al-Cu-Li合金的抗晶间腐蚀能力。

 (3)含Ag的Al-Cu-Li合金较低的晶间腐蚀抗力源于T6处理后合金析出的具有较低电位的大量T1相和较宽的PFZ。同时Ag促使T1相周围吸附更多的Mg原子团簇，增加了T1相与基体的电位差是降低合金耐蚀性的另一个原因。