7B04铝合金及其螺接件的微观腐蚀机制及耐久性研究

目的 以飞机结构用7B04高强铝合金及其螺接件为实验对象,通过室内加速腐蚀试验模拟试样在南海海洋大气环境中的环境损伤,并深入分析其微观腐蚀机制与疲劳性能的内在联系。方法 通过数码相机、3D共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等手段,研究模拟南海海洋大气环境下7B04铝合金及其螺接件的宏观/微观腐蚀特征,并借助疲劳测试分析经不同腐蚀周期后铝合金试样及螺接件的疲劳寿命。结果 铝合金及其螺接件经室内加速腐蚀试验后发生的腐蚀行为出现了明显差异,7B04铝合金试样表面发生的腐蚀行为以点蚀为主,而螺接件的腐蚀行为更加复杂。其中,远离螺接区域的暴露区的腐蚀情况与铝合金试样一致,在螺接区域发生了明显的缝隙腐蚀。此外,铝合金试样及螺接件随腐蚀周期变化的劣化规律也有所不同,腐蚀使得试样的疲劳性能均不同程度地下降。7B04铝合金疲劳寿命的递减趋势相对平缓,而螺接件在腐蚀进行到第2周期时其疲劳寿命就已降至原始寿命的一半,在腐蚀进行到第4周期时,螺接件的力学性能基本丧失。结论 经腐蚀后,铝合金试样出现了点蚀,且随着时间的延长出现了均匀腐蚀的趋势,疲劳寿命的递减趋势相对平缓。尽管螺接件的过渡区发生了严重腐蚀,但缝隙区诱发的局部腐蚀导致螺接件的受力面积减小,这是造成其疲劳寿命急剧衰减的首要因素。

激光热处理对T74态7B04铝合金板材性能的影响

为了探究T74态7B04铝合金经过激光热处理后的性能变化,对1.5 mm厚T74态7B04铝合金板材进行了不同温度下的激光热处理,并对激光热处理后的T74态7B04铝合金试件进行了单向拉伸试验和断口形貌观测。试验结果表明:与原始T74态7B04铝合金相比,激光热处理后T74态7B04铝合金断后伸长率显著提高且强度下降较小。当激光热处理功率为884 W,对应热处理温度为540℃时,T74态7B04铝合金试件的断后伸长率提高了110.91%,抗拉强度和屈服强度分别下降了11.48%和5.9%;断口观测结果表明激光热处理后的材料韧窝增多且加深,且激光热处理前后均属于韧性断裂,与单向拉伸试验结果一致,说明激光热处理在有效增强T74态7B04铝合金的塑性的同时,使得合金的强度有所保持。

2B06及7B04铝合金扩散连接数值模拟研究

针对2B06铝合金及7B04铝合金扩散连接变形及焊合率控制难题,在有限元软件ABAQUS中构建扩散连接变形有限元仿真模型及扩散连接界面孔洞闭合有限元仿真模型,研究不同扩散温度、加载压力及时间下的两种铝合金扩散连接厚度压缩变形及界面连接过程,最终确立一组优化的工艺参数。模拟结果表明:选择扩散连接温度500~510℃、加载压力4 MPa,能够在3~10 h内实现扩散连接界面孔洞的完全闭合。通过工艺试验得到扩散连接最佳工艺参数,证明模拟结果合理。

7B04铝合金的时效沉淀析出及强化行为

利用差示量热法(DSC)、透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、常规力学性能测试等手段研究了7B04铝合金时效沉淀析出及强化行为。结果表明:该材料存在显著的自然时效现象,大量的GPⅠ区沉淀析出是自然时效强化的主要原因;合金在120℃进行人工时效的初期析出大量GP区,使材料的强度迅速提高,时效8 h后,其横向极限抗拉强度即可达到570 MPa,时效22 h时可达强度峰值点,此时GP区(包括GPⅠ和GPⅡ区)和η′相是主要强化相;峰值时效后继续延长时效时间,材料的强度无明显降低,极限抗拉强度保持在590 MPa左右。

7B04铝合金双级时效的微观组织与性能

研究了双级时效处理对7B04铝合金预拉伸厚板的组织和性能的影响。采用TEM对时效组织变化进行了分析,并对力学性能和电导率进行了测试。结果表明:采用双级时效处理实现了晶内和晶界析出相的长大和粗化过程;随着第二级时效温度的升高,合金的强度随之下降,电导率升高。采用第二级160℃时效时,时效时间在12～24h之间合金的强度与T651制度(峰时效的抗拉强度为595MPa)相比下降了10%～13%左右,而合金的电导率可达21.3～22.3MS/m之间,伸长率保持在10%～11%左右。

固溶处理对7B04铝合金组织和性能的影响

通过显微组织观察、拉伸力学性能测试、XRD衍射物相分析以及α(Al)基体点阵常数的测量等方法研究了固溶处理对7B04铝合金组织和性能的影响.结果表明:在410～470℃范围,随固溶温度升高和时间延长,由于粗大的平衡相逐渐回溶,合金的强度逐渐升高;进一步提高固溶温度或延长固溶时间,合金强度逐步降低.7B04铝合金的优选固溶处理制度为470℃×60 min.

7B04铝合金在模拟海洋大气环境下的腐蚀行为

海洋大气环境下铝合金的腐蚀本质上是薄液膜下的电化学腐蚀,与本体溶液中的腐蚀有很大不同,腐蚀速率与薄液膜的厚度及成分有关。建立并实验验证了薄液膜厚度、大气相对湿度和铝合金表面盐沉积量3者之间的关系,研究7B04铝合金在不同厚度和不同Na Cl浓度薄液膜下的电化学性能。结果表明,薄液膜下7B04铝合金的自然腐蚀电位较本体溶液中更容易达到稳定,且电位更正,自然腐蚀速率更大;液膜厚度减小,7B04铝合金阴极极化电流密度增加,阳极反应受到抑制;薄液膜中Na Cl浓度升高,7B04铝合金的自然腐蚀电位降低,腐蚀速率上升,而阴阳极极化过程受Na Cl浓度变化影响不大,当Na Cl质量分数达到5%后,自然腐蚀电位基本不再变化。

热处理对7B04铝合金厚板组织与力学性能的影响

通过显微组织观察和力学性能与电导率测试,研究了热处理工艺对7B04铝合金厚板组织与性能的影响。结果表明,适宜的固溶工艺为470℃×240min。120℃×22h时效后合金可获得,抗拉强度为621MPa,但合金的电导率较低,仅为18·3MS/m;双级T74时效时,强度下降了10%～12%(与T6态相比),电导率获得了明显提高,为21·3MS/m;三级时效(RRA)处理可使合金获得高强度和高电导率相结合,强度接近T6态,电导率与T74态相当。合金经RRA处理后,基体内分布着大量的细小弥散析出相(与T6态组织相似),晶界析出相粗大且呈完全不连续分布。

表面涂层破损对7B04铝合金点蚀的影响及仿真研究

模拟7B04铝合金表面涂层破损,采用电化学试验研究7B04铝合金在不同环境条件下的自腐蚀与点蚀行为,基于电偶腐蚀数学模型,通过有限元法分析7B04铝合金与TA15钛合金接触后发生点蚀的条件。结果表明:7B04铝合金点蚀电位受Cl^-浓度和pH值的影响,在NaCl质量分数>10%的中性溶液及NaCl质量分数为3.5%的酸性溶液中,自腐蚀状态下7B04铝合金即可发生点蚀;7B04铝合金与TA15钛合金接触后,电位升高,增加了发生点蚀的可能性,在NaCl质量分数为3.5%的中性溶液中,当阴阳极面积比≥40时,7B04铝合金发生点蚀的萌生并进一步扩展;7B04铝合金电位随阴阳极距离的增大而下降,但幅度有限,在10 m的距离内下降不超过2 m V。

7B04铝合金预拉伸厚板的微观组织与性能

研究了7B04铝合金材料在不同热处理状态下的微观组织和性能。结果表明,目前的单级固溶处理(470℃×80min)并未使合金内一次析出相充分回溶,经物相分析确定残留相为MgZn2,S(Al2CuMg),T(Mg32(Al,Zn)49)及Al7Cu2Fe相等。T6状态下晶内析出相为细小GP区和η′相,晶界析出相为半连续状态,无明显的晶间无析出带(PFZ)存在,合金的抗拉强度达595MPa,电导率为31.7%IACS;在T7(115℃×7h+160℃×12h)状态下,晶内的析出相为GP区、η′和η相,尺寸约为5～20nm,晶界有不连续的较为粗大相析出,有明显的PFZ存在,此时抗拉强度为532MPa,电导率为37.0%IACS;采用RRA处理可使合金获得较高强度和较高电导率,抗拉强度和电导率分别为575MPa和36.3%IACS,此时晶内析出相为η′和η相,晶界析出物粗大呈完全不连续分布,有明显PFZ存在。

7B04铝合金超塑性变形行为

针对7B04铝合金开展了变形温度为470~530℃,应变速率为0.0003~0.01s^(-1)的高温超塑性拉伸实验,研究了材料的超塑性变形行为和变形机制。结果表明,7B04铝合金的流动应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而逐渐减小,伸长率随之增加;在变形温度为530℃,应变速率为0.0003s^(-1)时,7B04铝合金的伸长率达到最大1105%,超塑性能最佳;应变速率敏感性指数m值均大于0.3,且随变形温度的升高而增加;在500~530℃的变形温度范围内,m值大于0.5,表明7B04铝合金超塑性变形以晶界滑动为主要变形机制;变形激活能Q为190kJ/mol,表明7B04铝合金的超塑性变形主要受晶内扩散控制;7B04铝合金超塑性变形中在晶界附近有液相产生,且适量的液相有利于提高材料的超塑性能。

7B04铝合金应力腐蚀敏感性研究

利用慢应变速率拉伸应力腐蚀实验方法研究7B04铝合金的应力腐蚀开裂敏感性。研究温度、腐蚀介质、电化学极化对应力腐蚀敏感性的影响,结果表明:随温度的升高7B04铝合金的应力腐蚀开裂敏感性增强;溶液的腐蚀性越强,7B04铝合金的应力腐蚀开裂敏感性越大;无论是阳极极化还是阴极极化都会增加7B04铝合金的应力腐蚀开裂敏感性。

7B04铝合金蠕变过程中析出相的影响因素

进行了7B04-T7451铝合金在不同蠕变温度、不同应力水平下的多组蠕变实验,根据蠕变率的变化,得到了合理的蠕变温度为150℃;在此温度下进行了不同应力水平和时效时间下的多组蠕变实验,分析了加工条件对微观组织和力学性能的影响。结果表明,高的应力水平能加速合金强化相的析出和转变,同时增大位错的流动能力,因此,随着蠕变时间的增加,材料的屈服强度呈先上升后加速下降的趋势。

7B04铝合金海洋性大气腐蚀研究

通过在青岛和海南开展的7B04铝合金户外大气暴露试验,利用失重分析、形貌观察、断面分析和电化学交流阻抗谱等研究了7B04铝合金在海洋性大气环境中的腐蚀动力学规律和腐蚀特征。结果表明,在青岛和海南等海洋性大气环境中,7B04铝合金腐蚀初期以点蚀形式萌生,随后向均匀腐蚀发展;腐蚀过程均经历了腐蚀速率由高到低的过程,且腐蚀失重与时间的关系均可用幂函数显著回归;电化学阻抗谱分析表明当腐蚀产物足够厚时,7B04铝合金海洋性大气腐蚀的电化学过程由侵蚀性离子的扩散步骤来控制。

7B04铝合金的一种阳极化膜层电化学性能研究

采用电化学交流阻抗技术(EIS)对7B04铝合金的一种阳极化膜层在加速老化试验过程中的阻抗变化进行了原位测试,分析了其腐蚀失效的特征.结果表明,随加速试验的进行,硫酸阳极化膜层的失光率和色差变化较小,属不失光或很轻微失光和不变色;腐蚀前,阳极化膜的多孔层常相位元件的幂指数n相对较小,仅0.61,说明多孔层孔洞分布比较不均匀.随试验时间增加,n值逐渐增大并接近1,多孔电阻Rpo也逐渐增加,且后期增加幅度加大,这是由于沉淀物的部分封堵与耐蚀钝化膜的共同作用;阳极化膜划痕处的局部交流阻抗随试验时间增加不断减小,是由于划痕处金属发生了腐蚀反应所致,划痕处的阻抗增大则是由于划痕处被腐蚀产物覆盖所致.

时效制度对7B04铝合金组织和性能的影响

通过力学性能检测、扫描电镜和透射电镜观察,研究了不同时效制度、不同变形系数对7B04铝合金组织和性能的影响。结果表明:变形系数为12.5的合金其性能优于变形系数为6.5的合金;合金的断裂属晶内韧窝断裂与沿晶断裂的混合型断裂,合金的KⅠC主要受其δ值的影响并与其δ值有相似的变化趋势;合金的完全时效制度为130℃,16h或140℃,15h,在此制度下,合金的σb,σ0.2,δ和KⅠC分别为645.5MPa,603.0MPa,11.4%和36.1MPa·m1/2。

基于岸基与远洋移动平台的7B04铝合金腐蚀行为比较研究

目的研究动态海洋大气环境与静态海洋大气环境对7B04铝合金腐蚀行为的影响。方法采用7B04铝合金,分别在远洋船舶移动平台和万宁站海洋平台开展1年户外大气暴露试验,利用腐蚀形貌、腐蚀失重、力学性能表征7B04铝合金在海洋大气环境中的腐蚀规律和行为。结果经过1年的户外大气暴露试验,在动态和静态两种海洋大气环境作用下,7B04铝合金的腐蚀类型均为点蚀,且远洋船舶移动平台7B04铝合金的腐蚀程度更严重。在远洋船舶移动平台开展动态自然环境试验的7B04铝合金腐蚀速率为67.4μm/a,在万宁站海洋平台开展静态自然环境试验的7B04铝合金腐蚀速率为16.6403μm/a,远洋船舶移动平台7B04铝合金的腐蚀速率约为万宁站海洋平台的4倍。远洋船舶移动平台试验7B04铝合金的拉伸强度、规定塑性延伸强度和断后伸长率保留率分别为91%、87.5%和54.3%。结论 7B04铝合金在远洋船舶移动平台和万宁站海洋平台的腐蚀类型均为点蚀,远洋船舶移动平台的动态海洋大气腐蚀性强于静态海洋大气,且对7B04铝合金力学性能的降低主要体现在断后伸长率方面,可显著加速7B04铝合金的腐蚀。

固溶处理对7B04铝合金组织及性能的影响

利用金相组织观察(OM)、扫描电镜分析(SEM)、透射电镜观察(TEM)以及硬度测试,研究固溶处理对7B04铝合金显微组织及硬度的影响。结果表明:实验合金中的η相(Mg Zn_2)为易溶相,S相(Al_2Cu Mg)为难溶相,含Fe杂质相为不溶相;进行单级固溶处理时,随着固溶温度的升高,实验合金的固溶程度、再结晶程度和再结晶晶粒尺寸增加,当温度超过480℃时,出现过烧现象,力学性能恶化,7B04铝合金淬火敏感性较高;双级固溶可有效抑制合金再结晶、降低合金淬火敏感性,实验条件下较好的双级固溶工艺为(450℃,0.5 h)+(490℃,0.5 h),抑制合金再结晶效果最佳,经120℃时效24 h后,硬度达到最大值,为204HV1。

7B04铝合金和30CrMnSiA钢短期腐蚀的电化学行为研究

目的研究7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样的电化学性能。方法采用电化学实验、扫描电子显微镜(SEM)、腐蚀坑深度测试分别对7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样在是否经过天然海水浸泡的情况下进行测试分析,得到微观腐蚀形貌和腐蚀坑深度以及试样表面不带锈和带锈时的电化学性能。结果随着Na Cl浓度增大,7B04铝合金和30CrMnSiA钢的自腐蚀电流变大,两者之间存在明显的电位差,接触后会发生电偶腐蚀。电偶电流与阴阳极面积比和Na Cl浓度有关,阴阳极面积比增大或Na Cl浓度升高均会导致电偶效应增强。经过海水短期浸泡后,7B04铝合金表面的锈层不仅没有起到抑制腐蚀的作用,反而使自腐蚀加重,但电偶效应确实有所减弱。结论沿海设备在使用过程中应竭力避免铝合金在锈层下工作。

7B04铝合金不同时效工艺对其性能的影响

研究了三种时效工艺对7B04铝合金棒材的力学性能和电导率的影响。结果表明,在单级峰时效时,材料具有较高的强度,但电导率偏低;在双级时效和三级时效处理(回归再时效)后,材料的电导率明显提高,强度有所下降。得到了该合金棒材三种时效工艺条件下的性能和电导率的对应关系,为实际应用提供参考。