微合金化对5A12铝合金显微组织及耐蚀性能的影响

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5083、5A06等传统Al-Mg系合金具有密度低、耐蚀性和焊接性好等优点,但作为关键结构件使用时其强度偏低。镁在铝中具有良好的固溶强化效果,增加Mg含量能显著提高Al-Mg系合金的强度。课题组前期的研究表明,采用优化工艺制备的5A12(镁含量为9.2wt.%)铝合金薄板室温强度高达648MPa,但在常规凝固条件下大量过饱和Mg原子使晶界β-Al3Mg2偏析加重,由此引发的时效软化及耐蚀性下降成为限制5A12铝合金工程应用的关键。因此,本课题以5A12铝合金为研究对象,采用微合金化方式选取铝基体中固溶度较小的Ce、Y和Nd元素,通过对β-Al3Mg2相的含量、形态、尺寸和分布等特征进行调控,以期在不损害合金力学性能的同时提高其耐蚀性,并深入分析Ce、Y和Nd元素对5A12铝合金显微组织及腐蚀性能的影响规律及作用机制。本论文主要研究结果如下:1.系统研究了Ce含量(0.1,0.3,0.6和0.9wt.%)对5A12合金微观组织、腐蚀行为和力学性能的影响。实验发现,在凝固过程中Ce元素易扩散至Al6Mn化合物形成一种特殊的偏析,且在组织中未出现常见富Ce相。对于铸态、均匀化态5A12合金,0.1-0.3wt.%的Ce元素有较好的细化效果,平均晶粒尺寸最大降低约20%;对于冷作硬化态的5A12合金板材,通过极化曲线和电化学阻抗测试发现Ce含量在0.1-0.3wt.%范围内可使合金氧化膜致密稳定不易破坏,同时偏析有Ce元素的Al-Mn相诱发区域腐蚀作用减弱,综合作用使5A12合金点蚀抗性提高,表现为Ce含量为0.1wt.%和0.3wt.%的合金板材点蚀质量损失速率分别降低约48%和53%。此外,添加0.3wt.%Ce元素的5A12合金板材抗拉强度提高约30MPa且晶间腐蚀性能变化不大,但过量的Ce元素导致析出相体积分数增大恶化合金板材性能。2.通过Mg-Y中间合金引入Y元素,探究Y含量(0.1,0.2和0.4wt.%)对5A12合金微观组织、腐蚀行为和力学性能的影响。结果表明,Y元素可在5A12合金铸态组织晶内及晶界处形成新的Al Mg Y三元相—Al14Mg5Y,同时细化合金铸态、均匀化态晶粒组织。对于合金板材,经硝酸浸泡实验发现Y含量为0.1wt.%的完全退火态5A12合金平均晶间腐蚀质量损失量低至12.3mg/cm2,相比基体降低约53.1%,达到抗腐蚀标准;经敏化处理后平均质量损失量仍比5A12合金低30.2%,腐蚀深度降低约37.4%。由于Al14Mg5Y相依附β相形核,通过夺取Al3Mg2中的Mg原子打断晶界β相的连续性使其体积分数降低,完全退火态下晶界β相均匀厚度降至32nm。但Y含量过高会使Al14Mg5Y相体积分数增大弱化Mg原子固溶强化效果,同时对点蚀性能作用并不显著,因此Y含量为0.1wt.%有利于改善5A12合金综合性能。3.通过Mg-Nd中间合金引入Nd元素可在5A12合金铸态组织形成新的Al67Mg30Nd3相并非报道中常见的Al11Nd3相。由于Nd元素产生的新相能稳定存在并具有较高熔点,在合金液形核时能提供依附界面从而细化合金铸态、均匀化态晶粒组织,表现为添加量为0.1wt.%的5A12合金铸态平均枝晶间距和均匀化态平均晶粒尺寸分别降低约27.3%、33.9%。对于冷作硬化态合金板材,Nd含量在0.1-0.2wt.%范围内点蚀质量损失速率最低降至0.118mg/cm2·d,相比基体降幅约62.3%,同时力学性能提高约20MPa且晶间腐性能并无恶化,此时合金具备优越的综合性能。
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