杂质元素Si对7050铝合金抗剥落腐蚀和应力腐蚀开裂性能的影响研究

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7000系超高强铝合金因其高的强度、好的塑性以及良好的耐腐蚀性能,广泛应用于航空领域,是民用及军用飞机重要的结构材料。近年来得到了广泛研究,但关于合金中杂质元素对其耐腐蚀性的影响缺少系统性的研究。本文以7000系铝合金中具有代表性的7050铝合金为研究对象,通过在铸造过程中添加不同含量的Si制成杂质含量不同的一系列合金。先后经过熔铸、均匀化退火、挤压以及固溶时效等工艺,并通过剥落腐蚀实验、极化曲线测试实验、电导率测试、应力腐蚀实验等实验手段,结合光学显微镜、体视显微镜、扫描电镜、能谱分析等分析设备,研究了Si元素含量对合金组织以及耐腐蚀性能的影响。微观组织观测结果表明,7050铝合金挤压板材经固溶时效后的组织沿加工方向排列。晶内弥散的第二相颗粒主要为Al2CuMg相和Mg2Si相,形态为长条状或针状。第二相的含量、分布及形态等与Si元素的含量密切相关。Si含量为0.094wt.%时,亮白色Al2CuMg相数量最多,尺寸较大,集中在40-70μm左右,形状不规则,多数沿轧制方向分布在晶界处;深灰色Mg2Si相含量极少,且尺寸细小。Si含量升高至0.134wt.%时,Al2CuMg相含量有所减少,尺寸也有所减小,Mg2Si相有明显增加;随着Si含量继续增加到0.261wt.%,Mg2Si含量和尺寸均有增加,呈现不规则颗粒状分布在基体各处,Al2CuMg相进一步减少,且形态更加细小弥散电导率测试结果表明,Si元素含量越多,电导率越大。Si原子既增加了合金的固溶度,也使得合金的析出相增多,但是以合金相的形式析出所占比例更大,析出第二相的同时带出了基体中固溶的其他原子,使得合金固溶度降低,电导率提高。极化曲线测试结果表明,Si含量高的合金的自腐蚀电位也高,在热力学上提高了铝合金的耐腐蚀性。主要是由于Si含量为最高的0.261wt.%时,富Si相Mg2Si的量最多,且其电位较高所致。比较了不同Si含量的合金的抗剥蚀性能。结果表明,Si含量为0.094wt.%时,合金的耐蚀性很好; Si含量由0.134wt.%增加到0.261wt.%时,一方面由此增加的第二相与基体电位差构成微电池,加速腐蚀。另一方面合金的自腐蚀电位升高,导致开始腐蚀的时间推迟,但之后腐蚀速度加快,仍具有较差的耐剥蚀性能。应力腐蚀试验结果表明,空气中拉伸时,Si含量由0.094wt.%增加到0.261wt.%,合金的拉伸力学性能依次降低。这是由于第二相多分布于晶界处,与基体不共格,易成为应力集中处,成为裂纹萌生的起源,因此在拉伸过程中会降低合金的强度。当Si含量由0.094wt.%增加到0.134wt.%时产生的第二相强化和微裂纹作用相当,使得合金在空气中慢应变速率拉伸性能相当,但是Si含量进一步增加到0.261wt.%时,含Si的粗大第二相容易引起应力集中,成为微裂纹的萌生点,降低材料的塑韧性,在拉伸曲线上表现为抗拉强度和伸长率都有所降低。Si含量低(0.094wt.%)的合金组织为S相的沿晶界连续分布,在腐蚀环境下的连续溶解造成了快速开裂,具有最大的应力腐蚀敏感性。随着Si含量的增加,S相变为不连续分布,阻碍了连续溶解的过程,合金的应力腐蚀敏感性降低。
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