鋁合金的晶間腐蝕與剝蝕

綜述了近幾十年來國內(nèi)外在2xx系和7xx系鋁合金及Al-Li合金的晶問腐蝕和刺蝕等研究方面的主要進(jìn)展.總結(jié)了合金中晶界沉淀相的成分、分布及其與晶格的擊穿電位差異等對晶間腐蝕的影響規(guī)律,探討了熱處理時效狀態(tài)對合金耐蝕性和局部腐蝕動力學(xué)的影響機(jī)制.同時探討了合金的晶格形態(tài)。腐蝕產(chǎn)物模入作用等因素對合金剝蝕過程的影響規(guī)律,并對合金的晶間腐蝕和剝蝕研究中所采用的一些快速可靠的無損監(jiān)檢測方法，如電化學(xué)阻抗譜(EIS),進(jìn)行了評價。

1、前言

傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋁合金(2xxx系和7xx系)和Al .-Li合金易發(fā)生局部腐蝕,其主要的形式包括孔蝕、縫陳腐蝕、晶間腐蝕(IGC)和剝蝕等.鋁合金典型的晶界模式常為沉淀相/溶質(zhì)貧化區(qū)(SDZ).通常鋁合金的晶格本體(matrix)、沉淀相和溶質(zhì)貧化區(qū)之間的電化學(xué)行為相差很大，導(dǎo)致晶界比晶粒內(nèi)部更易腐蝕.孔蝕或縫隙腐蝕會發(fā)展為晶間腐蝕,形成深入合金組織的腐蝕溝。而使用軋制或擠出工藝制成的板材或棒材,由于晶粒被嚴(yán)重變形，晶間沉淀物/溶質(zhì)貧化區(qū)形成了平行于表面的層狀分布的活性陽極通道，在腐蝕產(chǎn)物楔入力的作用下,晶間腐蝕傾向于沿與表面平行的方向生長，并逐步發(fā)展為利蝕。

2、鋁合金的晶間腐蝕

自從1940年代開始,鋁合金的晶間腐蝕就引起了電化學(xué)家和材科學(xué)家的很大興趣.目前,已經(jīng)提出了鋁合金晶間腐蝕的三種主要理論。

(1)陽極性的晶界構(gòu)成物(SDZ和/或沉淀相)與晶格本體的腐蝕電位差異形成電偶腐蝕,進(jìn)而導(dǎo)致晶間腐蝕。

(2)SDZ和晶格的擊穿電位(breakdownpoten-tial)差異導(dǎo)致晶間腐蝕L2.,3。

(3)晶界沉淀相的溶解形成侵蝕性更強(qiáng)的閉塞區(qū)環(huán)境(occluded environment), 導(dǎo)致連續(xù)的晶界腐蝕'4.51。

近年來關(guān)于鋁合金晶問腐蝕的研究基本上是以上述三種觀點(diǎn)為基礎(chǔ),研究熱處理時效對晶界結(jié)構(gòu)、晶界沉淀相與晶格本體的擊穿電位的差異和局部腐蝕形式的影響.其中,關(guān)于晶界沉淀相的研究方法主要是采用電偶法，即制備晶界沉淀相的成分類似物，與純鋁或固熔處理的合金(模擬晶格本體的成分)組成電偶，測量板化曲線，通過比較腐蝕電流的大小來探討各種沉淀相在促進(jìn)局部腐蝕中的作用.關(guān)于SDZ和晶格之間擊穿電位的差異，主要是通過測量極化曲線來研究擊穿電位以及不同擊穿電位下的腐蝕模式.關(guān)于蝕孔的閉塞區(qū)環(huán)境，其研究方法是采用模擬縫歐,使用微電極測量縫隙內(nèi)部pH值隨時間的變化,該方法試圖支持閉塞區(qū)環(huán)境導(dǎo)致連續(xù)的晶界腐蝕的觀點(diǎn)。

另外，關(guān)于采用電化學(xué)阻抗譜等現(xiàn)代電化學(xué)研究方法來探討晶間腐蝕過程中的EIS特征和合金元素對合金腐蝕行為的影響的研究也有少量文獻(xiàn)報遭。

2.1局部腐蝕模式和熱處理時效對腐蝕行為的影響

2024-T3合金在HCI溶液中的浸泡初期,由于HCI對合金的強(qiáng)烈侵蝕作用,導(dǎo)致合金晶格首先發(fā)生均勻腐蝕隨后腐蝕反應(yīng)加速，主要在第二相處開始形成孔蝕.由于晶界處貧Cu區(qū)的孔蝕電位較低,溶解速率大,孔蝕隨即發(fā)展成為典型的晶間腐蝕].在1 mol/L NaCl溶液中，2024-T3合金晶粒尺寸和長寬比的不同導(dǎo)致不同晶面上的局部腐蝕行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不對稱性,其中sT向上的腐蝕發(fā)展速度明顯地小于L向和LT向.在電極電位正于- 610 mV(vs. SCE)時，2024-T3合金主要發(fā)生晶間腐蝕;在-610mV~500mV的電位范圍內(nèi),晶間腐蝕的發(fā)展速率幾乎不變,這表明法拉第電流對腐蝕尖端發(fā)展的貢獻(xiàn)很小.在較低(負(fù))的電位下，2024-T3合金主要發(fā)生孔蝕，腐蝕速率隨電位負(fù)移而變慢;而2024- T8合金的腐蝕形貌則從較高(正)電位下的尖銳晶間腐蝕類型變?yōu)檩^低電位下的晶粒選擇性溶解[7].而且在TEM下可以觀察到T8時效使2024合金出現(xiàn)更多的金屬間化合物沉淀并形成范圍更大的貧Cu區(qū)[8]。

3、鋁合金的剝蝕

剝蝕是對鋁合金危害性很大的一種腐蝕形式，它具有不同的表現(xiàn)形式,如粉化、剝皮或產(chǎn)生直徑幾毫米的鼓泡.剝蝕導(dǎo)致材料強(qiáng)度和塑性的大幅度下降,從而降低了材料的使用壽命[201.材料發(fā)生剝蝕時必須具備-一個要條件,即晶粒星平行于材料表面、寬而長的扁平狀?21.在材料的軋制、鍛造甚至冷作過程中,晶粒被拉長，晶界傾向于分布在一個平面內(nèi),為晶間腐蝕提供了連續(xù)的發(fā)展空間，而且腐蝕產(chǎn)物的連續(xù)分布使電解質(zhì)能滲透到腐蝕尖端，使這些材料易于發(fā)生利蝕.為抑制剝蝕,可以通過一定的熱處理方式提高材料的均勾度,從而避免晶間腐蝕.剝蝕既有晶間腐蝕的特征，也具有應(yīng)力腐蝕的特征.由于自然條件下發(fā)生利蝕通常需很長時間,因此實(shí)驗室通常采取一定方法加速剝蝕進(jìn)行,并建立了相應(yīng)的實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)，如測試2xxx系及7xxx系鋁合金剝蝕性能的EXCO標(biāo)準(zhǔn)(EXCO溶液:50g KCl+ 234 gNaCl + 6.3 mL HNO2 ( 70%),加去離子水至1L)221.有文獻(xiàn)報道Al-Li合金應(yīng)用EXCO試驗標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果與大氣暴露試驗的結(jié)果不能很好吻合.另外一種方法是ASTM G85, Annex A2中提出的循環(huán)酸性鹽霧法，雖然比EXCO法更可靠,但是實(shí)施起來比較麻煩。