一种超高强ALZNMGCU合金耐蚀成分的优化方法.pdf

一种超高强Al-Zn-Mg-Cu合金耐蚀成分的优化方法，属于金属合金技术领域。本发明的方法包括如下几个步骤：设计矩阵形式的若干组成分组合；按合金设计成分配料熔炼，获得不同成分的铝合金；熔铸后的铸锭分别经过最优选的第一级为400℃保温4小时，第二级为460-475℃保温30小时的均匀化处理；之后直接进行465-475℃保温3小时的固溶处理工艺；然后再进行第一级时效在110℃保温2小时，第二级时效在160℃保温10小时的双级过时效处理；最后进行耐电化学腐蚀性能的测试，从而获得耐电化学腐蚀性能较好的合金成分。本发明省略了合金的变形环节，节省了优选合金的成本与时间，获得的结果可为后续合金生产提供指导。

权利要求书
1.  一种超高强Al-Zn-Mg-Cu合金耐蚀成分的优化方法，其特征在于，包括以 下步骤：
(1)设计矩阵形式，在第一列以其中一种成分为变量自上而下逐渐变大， 其他组分最为定量；在第二列中另一种成分为变量，除了此列中的变量成分， 其他成分为定量，依次类推直到所有成分作为一次变量，矩阵中的每个合金组 分作为实验成分；
(2)以高纯Al、高纯Mg、工业纯Zn和Al-5.03Cu、Al-4.50Zr中间合金为 原料，按步骤(1)设计的所有合金组份分别添加原料，在720-780℃温度下熔 制成合金熔液，浇铸温度为700-720℃，铸造成不同成分的合金锭；
(3)针对步骤(2)的所有合金成份的合金锭，分别对其进行均匀化退火， 采用双级均匀化退火工艺，第一级为400℃保温4小时，第二级为460-475℃保 温30小时，每一种合金成份的第二级处理分别经过多个温度保温；选取每一种 成份经过上述均匀化退火后效果最好的一组进行后续实验；
(4)针对步骤(3)选出的均匀化退火后的铸锭，直接进行固溶处理，工 艺是在465-475℃保温3小时，之后立即室温水淬，淬火转移时间不超过20秒， 每一种成份的铸锭分别经过不同温度的固溶处理，每一种成份的铸锭选取最优 固溶处理效果的进行后续实验；
(5)将步骤(4)选取的得到的固溶处理的铸锭进行双级过时效处理，其 工艺是第一级时效在110℃保温2小时；第二级时效在160℃保温10小时；
(6)将时效处理的合金进行电化学性能测试，评测合金耐电化学腐蚀性能， 进而在所有成分的合金中优选出耐蚀性能较好的即为优化的合金成分。

2.  按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(6)获得的Tafel曲线定量 计算出合金的评价腐蚀电流密度，用此值来表征合金的耐蚀性能。

说明书一种超高强Al-Zn-Mg-Cu合金耐蚀成分的优化方法
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种超高强 Al-Zn-Mg-Cu合金耐蚀成分的优化方法。
背景技术
超高强Al-Zn-Mg-Cu合金具有比强度和硬度高、延展性和热加工 性能好、焊接性能和韧性优良等优点，被广泛应用于各种飞机的结构 件和其他要求强度高的高应力焊接结构件，是目前许多军用和民用飞 机、交通运输工具中不可缺少的重要结构材料。然而，该合金对局部 腐蚀很敏感，容易发生晶间腐蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀开裂，极大地 限制了其应用。
近年来随着现代工业的飞速发展，对合金综合性能的需求日益迫 切，解决其耐蚀性的问题也日益重要。前期已有若干专利针对超高强 铝合金的强韧性与热处理工艺等进行了研究探讨，但目前常用的工艺 流程一般是将固定成分的合金进行熔炼、铸造、均匀化、变形、固溶、 时效等一系列流程，最后的再进行性能方面的测试，为获得所需性能 的合金需要的研发周期较长。本发明首先设计出矩阵形式的在一定范 围内变化的若干组成分组合，之后根据材料组织对性能的遗传效应， 省略材料的变形环节，将均匀化之后的试样直接进行固溶时效处理， 然后进行电化学性能测试，通过此模拟实验进行分析并获得优化的耐 蚀Al-Zn-Mg-Cu合金成分，可用于指导后续合金材料的生产制备。
发明内容
本发明的目的在于克服现今超高强铝合金设计周期长的不足，通 过模拟实验的分析优化出耐蚀性能优良的Al-Zn-Mg-Cu合金成分， 为后续合金工业生产提供指导。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案。
一种超高强Al-Zn-Mg-Cu合金耐蚀成分的优化方法，其特征在 于，包括以下步骤：
(1)设计矩阵形式，在第一列以其中一种成分为变量自上而下 逐渐变大，其他组分最为定量；在第二列中另一种成分为变量，除了 此列中的变量成分，其他成分为定量，依次类推直到所有成分作为一 次变量，矩阵中的每个合金组分作为实验成分。合金成分可在小范围 变动的若干组成份组合。变量的递增范围或递增的数量可根据需要调 节。
(2)以高纯Al、高纯Mg、工业纯Zn和Al-5.03Cu、Al-4.50Zr 中间合金为原料，按步骤(1)设计的所有合金组份分别添加原料， 在720-780℃温度下熔制成合金熔液，浇铸温度为700-720℃，铸造 成不同成分的合金锭；
(3)针对步骤(2)的所有合金成份的合金锭，分别对其进行均 匀化退火，采用双级均匀化退火工艺，第一级为400℃保温4小时， 第二级为460-475℃保温30小时，每一种合金成份的第二级处理分别 经过多个温度保温；选取每一种成份经过上述均匀化退火后效果最好 的一组进行后续实验；
(4)针对步骤(3)选出的均匀化退火后的铸锭，直接进行固溶 处理，工艺是在465-475℃保温3小时，之后立即室温水淬，淬火转 移时间不超过20秒，每一种成份的铸锭分别经过不同温度的固溶处 理，每一种成份的铸锭选取最优固溶处理效果的进行后续实验；
(5)将步骤(4)选取的得到的固溶处理的铸锭进行双级过时效 处理，其工艺是第一级时效在110℃保温2小时；第二级时效在160℃ 保温10小时；
(6)将时效处理的合金进行电化学性能测试，评测合金耐电化 学腐蚀性能，进而在所有成分的合金中优选出耐蚀性能较好的即为优 化的合金成分。
按矩阵形式设计合金成分，使合金成分可在一定范围内进行微 调。在合金处理过程中，固溶淬火处理之后直接进行双级过时效处理， 而未经过变形处理，从而缩短合金设计流程。对于不同成分的合金， 分别采取最优的均匀化与固溶时效工艺，使合金组织达到最优。进行 电化学测试，根据获得的Tafel曲线定量计算出合金的评价腐蚀电流 密度，用此值来表征合金的耐蚀性能，即最终获得耐电化学腐蚀性能 较好的合金成分。
本发明的方法通过设计模拟实验省略了合金的变形环节，节省了 优选合金的成本与时间，结果较准，获得的结果可为后续合金生产提 供指导。
附图说明
图1是矩阵形式的9组合金成分设计图。
图2是实例1合金铸锭分别进行400℃/4h+475℃/30h，400℃ /4h+471℃/30h，400℃/4h+467℃/30h，400℃/4h+463℃/30h四种均匀 化处理后的显微组织。
图3是实例1合金的通过电化学测试可得到试样Tafel曲线。
图4是合金的腐蚀电流密度。
具体实施方式
根据当今超高强Al-Zn-Mg-Cu合金已有研究设计合金成分，成分 设计图如图1所示，将Zn成分定为10wt.％，Zr为0.12wt.％，通 过小范围调整Mg与Cu的含量获得具有浓度梯度的九组试样。
实施例1：(1)合金配制方案为：10％Zn、2.0Mg、1.2Cu、0.12Zr、 Al余量(即附图1中对应的①，作为合金1)，以高纯铝(Al99.70)、 高纯Mg(Mg9995)、工业纯Zn(Zn≧98.7wt.％)和Al-5.03Cu、Al-4.50Zr 中间合金为原料，按上述的化学成分要求配料。先将铝锭装入780℃ 的电阻炉，待铝锭熔化后，按次序加入纯锌、铝铜中间合金、铝锆中 间合金。待金属及中间合金都熔化后，扒去熔体表面的浮渣，熔体温 度达到715-735℃时，加入纯镁。为使合金元素分布均匀，对熔体进 行搅拌，之后进行精炼，精炼在710-730℃下静置20-35分钟，随后 扒去表面的浮渣，再静置到浇铸温度700-720℃后铸造成合金锭坯。
(2)对实例1步骤(1)的合金分别进行如表1所示均匀化处理
表1 均匀化热处理条件

经过4种均匀化后的显微组织见图1，可发现400℃/4h+467℃/30h 均匀化热处理制度的合金组织表面光洁，无过烧现象，并且未残留大 量残留共晶相和T相，为实例1合金所对应的最优均匀化工艺。
(3)对实例1步骤(2)400℃/4h+467℃/30h均匀化热处理的 合金，分别进行465-475℃/3h的固溶处理，实验发现经过470℃/3h 固溶处理的合金无明显残余相，定为实例1合金的最优固溶工艺。
(4)对实例1步骤(3)经过470℃/3h固溶处理的合金，进行 双级过时效处理，其工艺是第一级时效在110℃保温2小时；第二级 时效在160℃保温10小时。将双级过时效处理的合金进行耐电化学 腐蚀性能重复性测试。所用装置为标准三电极体系，铂电极为辅助电 极，饱和甘汞电极为参比电极，采用饱和氯化钠盐桥连接，电解质溶 液为3.5wt.％NaCl溶液。通过电化学测试可得到试样Tafel曲线如 图2所示。通常可以通过腐蚀电位Ecorr判断合金发生腐蚀的驱动力大 小，通过平均腐蚀电流密度icorr判断合金的腐蚀速率，平均腐蚀电流 密度icorr越大则腐蚀速度越快。对于本发明合金的耐腐蚀性能即用 icorr来表征。实例1经过步骤(1)(2)(3)(4)所测得的平均腐蚀电 流密度icorr为0.889μA/cm2。
合金2-9的合金成分设计如图1所示，其熔铸工艺与实例1相同。 合金2-9所选取均匀化与固溶温度的方法与实例1步骤(2)和(3) 相同，所优化出的热处理工艺参数列于表2。
表2 热处理工艺参数

合金1-9所测得的腐蚀电流密度均列于表3，将表3作图如图4 所示，可以明显看出实例1和6的合金腐蚀电流密度相对较小，具有 更好的耐腐蚀性能，因此优化出的合金成分为 Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu-0.12Zr与Al-10Zn-2.2Mg-1.2Cu-0.12Zr。通 过此方法所进行的模拟实验，获得了耐电化学腐蚀性能较好的合金成 分。
表3 合金的平均腐蚀电流密度
合金 icorr(μA/cm2) 1 0.889 2 2.79 3 2.53 4 1.77 5 1.52 6 1.07 7 1.60 8 1.42 9 2.60