Zn含量对Al-Mg-Si-Cu合金力学性能、晶间腐蚀及淬火敏感性的影响

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在变形铝合金中,6000系Al-Mg-Si-Cu合金由于具有较低的密度、良好的耐蚀性和焊接性能,应用最为广泛。而鉴于Zn元素在7000系Al-Zn-Mg-Cu合金中能与Mg结合形成η-Mg Zn2相,产生极高的析出强化效果,研究不同含量Zn合金化对Al-Mg-Si-Cu合金性能的影响将为优化合金成分设计提供重要参考。本文以不同Zn含量(0-1.2 wt.%)Al-Mg-Si-Cu合金为研究对象,采用硬度、拉伸、浸泡腐蚀等测试,研究Zn含量对T4、T6状态合金力学性能、晶间腐蚀(Intergranular corrosion,IGC)敏感性和淬火敏感性的影响,并辅以差示扫描量分析、X射线衍射测试、扫描电镜和透射电镜观察等手段,从析出行为的角度分析合金性能变化机理。另外,对力学性能较好的含Zn合金进行固溶+60%压下量冷轧变形+低温时效处理,进一步提高合金力学性能的同时降低其晶间腐蚀敏感性。研究成果如下:(1)较低Zn含量(0-0.8 wt.%)对T4、T6状态合金力学性能无明显影响;T4状态合金无晶间腐蚀敏感性,T6状态合金则发生严重晶间腐蚀,且最大腐蚀深度随Zn含量增加而减小,至Zn含量为0.8 wt.%时,最大腐蚀深度为320μm,较不含Zn合金减小223μm。Zn含量增至1.2 wt.%时,晶内GP区和β″相的析出得到促进,合金强度显著提高,T4状态合金抗拉、屈服强度分别为363 MPa、196 MPa,较不含Zn合金分别提高44 MPa、30 MPa,T6状态合金抗拉、屈服强度分别为443 MPa、368 MPa,较不含Zn合金分别提高57 MPa、44 MPa,并且两种状态合金延伸率均保持在较高水平;而T4、T6状态合金晶间腐蚀倾向的明显增强主要是因为较高Zn含量增大了晶界析出相与无沉淀析出区(Precipitate free zone,PFZ)之间的成分差异。另外,Zn含量对合金拉伸断口形貌特征几乎无影响,而是主要取决于时效状态:T4状态合金为韧窝型穿晶断裂模式;T6状态合金则表现为沿晶断裂为主的韧窝-沿晶断裂混合模式。(2)采用冷却速率更低的方式淬火时,Zn始终固溶于基体中产生固溶强化效果,并起到抑制淬火过程中粗大Mg2Si相析出的作用,使合金保留更高的时效强化潜力,淬火敏感性减弱。因此,随着淬火冷却速率的降低,含Zn合金强度下降幅度更小,并且在相同淬火方式下,Zn含量越高,合金强度越大,而拉伸试样断口形貌特征则基本不受Zn含量影响,随着淬火冷却速率逐渐下降,T6状态合金断口形貌特征发生如下转变:沿晶断裂主导的韧窝-沿晶断裂混合模式→韧窝型穿晶断裂为主的混合模式→以沿晶断裂为主的混合模式→单一的韧窝型穿晶断裂模式,相应地,延伸率呈现出先上升再下降又上升的变化规律。对于合金耐蚀性,随着淬火冷却速率下降,一方面淬火及时效过程中析出的晶界Q相增多,于晶界分布的连续性发生变化,使T4状态合金晶间腐蚀倾向随淬火冷却速率降低而先增强后减弱,而T6状态合金晶间腐蚀敏感性则呈现出先上升再下降又上升的趋势。另一方面,晶界Q相与Zn原子的相互作用整体上使较低Zn含量(0-0.8 wt.%)合金晶间腐蚀倾向随Zn含量增加而下降;而Zn含量为1.2 wt.%的合金则始终具有很高的晶间腐蚀敏感性。(3)对1.2 wt.%Zn含量合金进行530℃/1 h固溶水淬+60%压下量冷轧变形+低温时效(120℃、150℃)处理。冷轧状态(Cold rolled,CR)合金抗拉、屈服强度分别为446 MPa、418 MPa,较T4状态合金分别提高83MPa、222 MPa,且晶间腐蚀敏感性明显下降,但延伸率仅5.6%,对应拉伸断口形貌以沿晶断裂为主。进行低温时效初期,合金强度和延伸率均明显上升,拉伸试样断口上韧窝型穿晶断裂模式占比上升。继续时效,120℃时效合金强度随时效时间增加而缓慢提高;150℃时效合金强度则在12 h到达峰值,随后不断降低,而两种时效合金延伸率均在时效过程中逐渐下降,相应拉伸断口形貌逐渐倾向于沿晶断裂模式。另一方面,随着时效时间延长,两种时效合金晶间腐蚀敏感性均逐渐增强,且150℃时效合金更加严重。此外,120℃/72 h时效处理可以使合金获得最佳的综合性能,其抗拉、屈服强度分别为510 MPa、468 MPa,较T6状态合金分别提高67 MPa、100 MPa,延伸率为9.0%、浸泡腐蚀后最大腐蚀深度为233μm,较T6状态合金减小263μm。
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