舰船用含Zn5xxx系铝合金的抗腐蚀机理及板材开发

发布时间：2017-07-28 09:31

  本文关键词：舰船用含Zn5xxx系铝合金的抗腐蚀机理及板材开发

  更多相关文章： Al-Mg合金 稳定化处理 晶间腐蚀 应力腐蚀 控温轧制

【摘要】：5xxx系铝合金由于耐腐蚀性好而广泛应用于运输与交通等工业。随着经济的发展,人们对铝合金的强度要求越来越高,合金中Mg的含量也越来越高,但是当合金中Mg的质量分数超过3.5%时,合金在50-C使用时有发生晶间腐蚀的倾向。因此,如何在提高合金强度的同时保持合金优异的抗腐蚀性能,满足现代船舶制造对铝合金材料提出的更高要求,是目前亟待解决的关键性问题。本文通过优化合金成分以及加工工艺,显著提高了合金的强度。利用美标ASTM G67与ASTM G66标准对合金敏化前后的晶间腐蚀以及剥落腐蚀进行测试,合金的抗腐蚀性能得到明显提高。同时对Zn元素含量、稳定化处理工艺以及控温轧制对合金的力学性能和抗腐蚀性能产生的影响进行了研究。通过扫描电镜、电子背散射技术和透射电镜对新型合金的组织进行了详细的观察和表征,结合高分辨电镜以及扫描电镜技术对析出相的形貌、结构进行了观察和分析。所获得的创新性结果如下：开发出一种新型含 Zn 的 5xxx 系铝合金成分：(5.5～6.0)Mg-(0.9‖1.2)Zn-(0.6～1.0)Mn-(0.05～0.25)Zr-0.15Ti-(0.1～0.2)Cu-0.1Cr-0.25Fe-0.2Si(wt.%),通过优化合金的均匀化、轧制、再结晶、稳定化等工艺,制备出比AA5059-H321态合金力学性能以及抗腐蚀性能更优异的板材,现已将合金成分提供给中铝集团进行工业化试生产；冷作硬化态的5xxx系铝合金在服役过程中由于Al3Mg2相的析出而出现“时效”软化,稳定化处理可以避免这种现象产生同时降低合金对腐蚀的敏感性。随着稳定化时间的延长,组织中Al3Mg2相析出数量增多导致合金硬度降低。合金稳定化温度的选择与稳定化处理前所处的状态密切相关。合金在10%的冷变形条件下,低温稳定化处理导致合金发生回复,但是回复程度较低,此时组织内位错等缺陷多,有利于Mg原子进行管道扩散,敏化后的合金对晶间腐蚀敏感；在250*C时,合金开始再结晶导致硬度与屈服强度降低明显,同时,组织中的位错以及形变储存能降低,Mg原子的扩散能垒增高,使富Mg相在组织内均匀析出,合金的抗晶间腐蚀能力强；合金中Zn含量在0-1.0%范围内,合金的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀能力随着Zn的增加而提高。利用透射电镜以及扫描透射电镜对晶界相的化学成分以及形貌进行观察,发现Zn改变了析出相种类以及在组织内分布位置。在含Zn合金中,晶界析出相Al3Mg2被Mg32(Al Zn)49取代,通过对多条晶界进行统计发现,随着Zn含量升高,合金的晶界相的连续性降低,无析出相晶界条数增多。在未添加Zn元素的Al-Mg合金中观察到晶间腐蚀的阳极溶解导致应力腐蚀裂纹的扩展,背散射技术发现合金的小角度晶界数量随着Zn含量的增加而增加,而晶粒尺寸降低；为了节约能源,缩短加工流程,本论文尝试开发出适用于新型合金的控温轧制工艺,希望通过控制合金的轧制工艺获得传统工艺下的力学性能和腐蚀性能。合金的实验温度控制在210℃、250℃、290℃、310℃,变形量分别为40%、60%、80%,所获的力学性能都比传统工艺的要高,而晶间腐蚀失重量却上升不明显。控温轧制的板材在敏化后的晶间腐蚀失重是传统工艺下的几倍,在板材温轧过程中,由于轧制温度低、变形阻力大、板材较薄导致产生了大量的剪切带,这种剪切带是由位错组成,让大量的析出相在敏化过程中析出。综合考虑板材的力学与抗腐蚀性能,获得控温轧制的最优温度为250℃,变形量为40%-60%。
【关键词】：Al-Mg合金 稳定化处理 晶间腐蚀 应力腐蚀 控温轧制
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.704
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-15
• 2 文献综述15-42
• 2.1 5xxx系船用铝合金的特征15-16
• 2.2 5xxx系铝合金使用状态16-17
• 2.3 Al-Mg合金中析出相17-24
• 2.3.1 析出相序列17-20
• 2.3.2 合金元素对析出相的影响20-21
• 2.3.3 晶界结构对析出相的影响21-22
• 2.3.4 热处理工艺对析出相的影响22-24
• 2.4 合金元素对5xxx系铝合金组织和性能的影响24-29
• 2.4.1 主要合金元素影响24-27
• 2.4.2 微量元素影响27-28
• 2.4.3 有害元素影响28-29
• 2.5 5xxx系铝合金强化机制29-31
• 2.6 5xxx系铝合金腐蚀类型31-36
• 2.6.1 点腐蚀32-33
• 2.6.2 晶间腐蚀33-35
• 2.6.3 剥落腐蚀35-36
• 2.6.4 应力腐蚀36
• 2.7 铝合金的控温轧制36-38
• 2.8 本文研究的工作38-42
• 2.8.1 研究内容38-39
• 2.8.2 研究目的与意义39-40
• 2.8.3 研究方案40-42
• 3 实验材料和方法42-51
• 3.1 实验原材料42
• 3.2 实验方法42-51
• 3.2.1 相图计算42
• 3.2.2 合金的熔铸与轧制42-43
• 3.2.3 热处理43-44
• 3.2.4 组织结构分析和形貌观察手段44-47
• 3.2.5 力学性能测试47
• 3.2.6 腐蚀性能47-51
• 4 新型5xxx系铝合金成分设计与工艺优化51-79
• 4.1 5xxx系铝合金成分设计51-55
• 4.2 5xxx系铝合金熔炼工艺55
• 4.3 5xxx系铝合金板材工艺优化55-78
• 4.3.1 合金均匀化工艺优化55-60
• 4.3.2 合金板材热轧工艺优化60-64
• 4.3.3 再结晶退火工艺64-67
• 4.3.4 冷变形工艺的设计67-70
• 4.3.5 稳定化工艺优化70-77
• 4.3.6 预拉伸工艺77-78
• 4.4 本章小结78-79
• 5 新型5xxx系铝合金相与性能分析79-92
• 5.1 Al-Mg-Zn合金中相观察79-85
• 5.2 5xxx系铝合金力学性能85-86
• 5.3 合金的腐蚀性能86-91
• 5.3.1 合金的晶间腐蚀性能86-89
• 5.3.2 合金剥落腐蚀性能89-91
• 5.4 本章小结91-92
• 6 元素Zn对5xxx系铝合金腐蚀性能的影响92-116
• 6.1 元素Zn对Al-Mg合金晶间腐蚀性能影响92-103
• 6.1.1 实验方法92-93
• 6.1.2 实验结果93-100
• 6.1.3 实验讨论100-103
• 6.2 元素Zn对Al-Mg合金应力腐蚀的影响103-114
• 6.2.1 实验方法103
• 6.2.2 实验结果103-111
• 6.2.3 实验讨论111-114
• 6.3 本章小结114-116
• 7 H-temper轧制工艺的探讨116-126
• 7.1 原材料与实验工艺117-120
• 7.2 实验结果120-123
• 7.2.1 板材力学性能120-121
• 7.2.2 晶间腐蚀与剥落腐蚀121-123
• 7.3 组织观察123-125
• 7.4 本章小结125-126
• 8 结论与展望126-128
• 8.1 结论126-127
• 8.2 创新点127
• 8.3 展望127-128
• 参考文献128-140
• 作者简历及在学研究成果140-144
• 学位论文数据集144

【共引文献】

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本文编号：583407