热处理对LF6合金晶间腐蚀性能的影响

张春旭，李延军，刘 学，刘 欢

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

LF6是一种强度高、密度小、耐腐蚀、无低温脆性、无磁性、可焊性好的高镁铝合金，广泛应用于要求轻量化的各种船用结构件和水下装备的结构件，更是建筑、化工、车辆、航空、航天领域不可缺少的重要材料[1-2]。LF6 铝合金是以Mg 元素为主要合金元素的铝合金，共晶温度下Mg在Al中的最大溶解度为17.4%，溶解度随温度下降迅速降低。由于合金析出相少，形核困难，析出颗粒较大，所以合金的时效强化效果差，属于不可热处理强化铝合金，其主要强化手段是通过Mg 原子的固溶强化以及加工硬化。随着Mg 含量的提高，合金的强度会随之增大。但镁含量大于3%的铝合金在室温下长时间放置会产生时效软化现象，使合金的强度下降，延伸率上升[3]。并且晶界处会有β 相析出并连续，与晶格本身产生电位差而形成原电池，导致合金的晶间腐蚀性能和应力腐蚀性能降低[4-5]。所以5×××系高镁铝合金常通过稳定化处理的方式获得良好的基体组织及均匀分布的β相，从而达到稳定力学性能和提高抗蚀性的目的。鉴于此，本文探讨了不同温度的稳定化处理对LF6挤压材腐蚀性能和显微组织的影响，以期为强度、耐蚀性要求更高的高镁铝合金挤压型材成熟的稳定化退火工艺提供试验数据和参考。

1 试验材料及方法

本文采用ARL-3460 直读光谱仪对LF6 合金挤压型材进行化学成分检测，结果见表1。对取自型材中部（平行于挤压方向）的晶间腐蚀试样进行（80～440) ℃×4 h的稳定化处理，热处理设备采用NA675/45纳博热空气循环炉。试样分成8组，每组3 个平行试样。根据ASTM G67 标准即硝酸失重测量方法对稳定化处理后试样进行检测，通过测量试样经腐蚀的失重来衡量铝合金的晶间腐蚀敏感性。当试样的单位面积质量损失<15 mg/cm2时，则判定为耐腐蚀材料；当质量损失≥25 mg/cm2时，则说明合金晶间腐蚀敏感性高。

表1 合金化学成分（质量分数/%）

2 试验结果

通过测量质量损失的平均值来表征合金的晶间腐蚀敏感性，试验中相同温度的3个平行试样晶间腐蚀质量损失的算数平均值见表2。从表2 可知，试验结果误差不大，试样的晶间腐蚀敏感性随温度升高呈现先增大后减小趋势。

表2 抗晶间腐蚀性能

依据试样退火后晶间腐蚀数据绘制趋势图，如图1所示。可以看出，随着退火温度升高，试样的晶间腐蚀敏感性逐渐提高。当温度为240 ℃时，试样的晶间腐蚀敏感性达到最高点，试样的质量损失达到75 mg/cm2；随着退火温度的继续提升，试样的晶间腐蚀程度下降；当退火温度达到380 ℃时，试样的质量损失为14 mg/cm2，达到标准要求；当温度从380 ℃上升至440 ℃时，试样晶间腐蚀性能趋于稳定。

图1 不同热处理温度下的失重曲线

3 分析与讨论

Al-Mg合金晶间腐蚀的产生原因与电化学腐蚀接近，是晶界处析出的连续β相与晶内形成原电池导致的。LF6中Mg含量较高，约为6%。室温下的合金组织主要为α（Al）+β相（Al8Mg5+Al3Mg2）。β相的形态和分布对合金的腐蚀性能有重要影响，β相粒子较细小并均匀弥散分布于晶间时，不会对合金的腐蚀性能产生影响。但晶界处的能量较高时，位错和空位会在能量较高的晶界处聚集，导致溶质原子在晶界偏聚，发生晶界吸附，β相沿着晶界边缘沉淀析出。β相与基体的电极电位不同，腐蚀电位相对于基体为负，对其周围的贫乏固溶体呈阳极。连续分布的β相会成为阳极腐蚀通道，使得晶内和晶界腐蚀速率产生差异，从而产生晶间腐蚀[6-7]。另一方面，铝合金在挤压及挤压后的冷变形强化过程中都会在合金内产生残余应力，造成材料的应力腐蚀倾向增加，所以需要对合金进行稳定化退火处理以消除合金中的静应力，以防止材料在实际使用中发生应力开裂现象。

图2 合金的微观组织

图2 示出了为LF6 合金的微观组织。根据扫描电镜图（SEM）并结合各点的峰值能谱（EDS）可以看出，图2（a）中未进行稳定化退火的合金大部分Mg 原子固溶于铝基体中，并可以观察到少量的β 相（Al8Mg5+Al3Mg2） +少 量AlTi3+极 少 量 的Mg2Si，以及少量与β 相共晶存在的FeMnAl6。从图2（b）、（c）中可以看出，大量白色骨骼状的β相从基体中析出，基体中少量的第二相（FeMnAl6）呈棱角分明的片状离散地分布在基体中，图中小黑点为Mg2Si 以及游离状态下的单质Si。当温度达到320 ℃后，FeMnAl6呈偏聚态，边缘钝化，并且存在少量β 相+FeMnAl6+MnAl6的三元共晶组织。图2（d）、（e）、（f）分别为未稳定化处理的组织及基体晶粒度和皮质层晶粒度照片。从中可知，未处理的合金基体晶粒度达到7级，晶粒细密，达到标准要求，而皮质层晶粒较细小，皮质层晶粒度可达3级。图2（g）、（h）、（i）是不同热处理制度下的基体晶粒度，可以看到随温度升高，晶粒没有明显长大。

由于挤压需要在高温下进行，在挤压过程中要对合金进行固溶处理，β相大部分以过饱和固溶体形式存在。在80 ℃温度下进行稳定化处理后，随温度升高Mg原子在Al 中的平衡溶解度升高，析出的β 相增多。而当稳定化处理温度低于240 ℃时，合金中的位错主要存在于晶界处，位错作为通道使Mg 原子更容易扩散到晶界并呈网膜状连续分布。当温度达240 ℃后，位错移动到亚晶界，Mg 原子通向晶界的通道减少，β相开始在亚晶界和晶界的交切点上析出，亚晶界析出的β相会形成多边形的亚晶界，使Mg 原子通向晶界的位错通道数量进一步减少，β相就不容易在晶界长大并连续分布。有些晶界上的β相虽然呈连续状态，但在晶内析出的β 相大幅增加了，β 相在基体中接近均匀分布，所以合金的晶间腐蚀性能趋于稳定[8-9]。

4 结论

（1）LF6 合金的耐晶间腐蚀性能随温度变化呈现波峰形式，当温度低于240 ℃时，随温度上升，合金耐晶间腐蚀性能逐渐变差，240 ℃时晶间耐腐蚀性最差，240 ℃后合金耐腐蚀性变好。

（2）80 ℃温度下，随稳定化退火温度升高在晶界处的连续β相逐渐增多，当温度增加至240 ℃时，β相开始在亚晶界析出，其在晶内和晶界的分布逐渐趋于均匀。

（3）当温度处于380 ～440 ℃之间时，LF6 合金具有良好的耐晶间腐蚀性，可以保证产品满足对腐蚀性能的要求，消除应力腐蚀倾向并具有稳定的综合性能。