CN110184551A - 提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法 - Google Patents

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张斌
徐鑫玥
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Abstract

本发明涉及一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，以AlN/AZ91镁基复合材料铸锭(专利ZL201510882938.5)为原材料，通过制定特殊的固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间等参数，形成一套可提高AlN/AZ91复合材料耐腐蚀性能的热处理工艺。该热处理工艺参数切实可行，易控制，与铸态AlN/AZ91镁基复合材料相比，能明显改善其耐蚀能力，从而实现了AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的提高。

Description

提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法
技术领域
本发明属于镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，涉及一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，针对原位纳米颗粒强化的AlN/AZ91镁基复合材料(专利ZL 201510882938.5)，采用固溶+时效的热处理工艺，提高了AlN/AZ91镁基复合材料的耐蚀性能。
背景技术
镁合金作为最轻的的结构工程材料拥有一系列的优点，如：密度低、比强度和比高度高、导电性良好、易回收等，被广泛应用于航空、航天、火箭、导弹汽车工业、3C等领域。然而，镁合金的标准电极电位极低，是常见结构金属中活泼性最高的金属材料之一，在潮湿的空气、酸性、碱性等环境介质中都会发生不同程度的腐蚀，这严重制约了镁合金的工业应用，这也是每种新型镁合金材料应用前所必须面对并解决的难题。在AZ系列镁合金中，β-Mg17Al12相是合金中的重要强化相。然而，它在镁合金的腐蚀过程中具有双重影响：一方面，β-Mg17Al12相可以作为腐蚀壁垒，从而阻碍镁合金腐蚀的进一步发生；另一方面，β-Mg17Al12相作为合金中的第二相，它可以与α-Mg基体接触形成电偶腐蚀，并充当阴极而加速镁合金的腐蚀。因此在镁合金的腐蚀过程中，合金的腐蚀是由β-Mg17Al12相对腐蚀阻碍与促进协同作用的结果，并且在该协同过程中β-Mg17Al12相的形态、数量、尺寸以及分布可以明显影响其作用结果。恰当的热处理工艺，一方面可以有效改善镁合金的组织形貌，使合金中粗大的组织结构经过热处理后可以变为均匀的组织结构；另一方面可以使合金中第二相分布、形态、数量等发生改变，从而改善合金综合性能。因此，可以通过控制热处理工艺控制β-Mg17Al12相分布、形态、数量等，进而改善镁合金的腐蚀性能。
目前镁合金的耐腐蚀性能差问题是当前限制镁合金应用与发展的重要因素之一就是因为其较低的耐腐蚀性能。近些年来，越来越多的人意识到解决镁合金耐腐蚀性差问题是大力发展镁合金的关键所在。若以“木桶原理”为例，镁合金的耐腐蚀性能则为该木桶中最短的木板，这就严重限制了镁的整体应用与发展。因此，要顺利快速的发展镁合金，其耐蚀性能差的问题就必须要解决，这是镁合金得以发展并得以广泛应用的必然。目前，镁合金凭借其众多优异的特性在航空、航天、火箭、导弹、汽车工业、电子工业等领域得到了很大的应用，但由于镁的标准电极电位低，活泼性在常见结构金属材料中最高，这也就决定了镁合金耐腐蚀性能差。这就对镁合金的工作环境提出了更高要求，镁合金的工作环境不能太恶劣，只能用于工作环境相对温和的场所，这就大大限制了镁合金的广泛应用。因此，要想使镁合金的更大潜能得以发挥，就必须突破镁合金的耐蚀性能差这一难题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，所用坯料为原位AlN/AZ91复合材料铸锭(专利201510882938.5所制备的原位AlN/AZ91镁基复合材料)，针对该原位AlN/AZ91复合材料铸锭的腐蚀行为，设计了特定的热处理工艺，从而提出了一套获得高耐蚀性能AlN/AZ91镁基复合材料的热处理工艺。该热处理工艺通过控制固溶工艺参数与时效工艺参数的最佳配比，相比铸态原位AlN/AZ91镁基复合材料实现了耐腐蚀性能的明显提高。
技术方案
一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料放入真空热处理炉中，在410～420℃固溶处理20～26h，然后将其取出在常温水中进行淬火处理；
步骤2：再次放入热处理炉中，在210～230℃进行时效处理12～15h，然后空冷；促使基体晶界和晶内析出的γ-Mg17Al12相达到饱和，并且细小弥散且均匀地分布，获得高耐蚀性能AlN/AZ91复合材料。
所述步骤1将原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料采用铝箔包裹放入热处理炉中，在410～420℃固溶处理20～26h，然后将其取出在常温水中进行淬火处理。
有益效果
本发明提出的一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，以AlN/AZ91镁基复合材料铸锭(专利ZL201510882938.5)为原材料，通过制定特殊的固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间等参数，形成一套可提高AlN/AZ91复合材料耐腐蚀性能的热处理工艺。该热处理工艺参数切实可行，易控制，与铸态AlN/AZ91镁基复合材料相比，能明显改善其耐蚀能力，从而实现了AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的提高。
AlN/AZ91镁基复合材料铸锭(专利ZL201510882938.5)，虽然该铸锭具有较高的强度和塑性，但其耐蚀性能较差。为了获得具有更加优异耐蚀性能的材料，需要对铸锭进行专门的处理。根据其微观组织可以知道，铸态AlN/AZ91复合材料中，β-Mg17Al12相主要在基体α-Mg晶界上呈断续的粒状分布。考虑到β-Mg17Al12相在腐蚀过程中具有双重作用，再加上复合材料的耐蚀性能与β-Mg17Al12相的形态、分布、数量等密切相关。因此对其进行热处理改变β-Mg17Al12相的形态、分布、数量，进而改善复合材料耐蚀性能。通常，在固溶处理过程中，随着固溶时间延长，晶界上的β-Mg17Al12相会逐渐溶解。但考虑到既要保证固溶处理后β-Mg17Al12相完全固溶，又要保证固溶Al原子在基体中均匀分布。因此，根据试样尺寸和反复实验验证，确定固溶温度为410～420℃，固溶时间20～26h。随后在210～230℃温度范围内进行时效处理，在基体中将析出形成γ-Mg17Al12相。随时效时间延长，γ-Mg17Al12析出相数量逐渐增多。当时效时间达到12～15h时，能够促使基体晶界和晶内析出的γ-Mg17Al12相达到饱和，并且细小弥散且均匀地分布。而如果继续延长时效时间，γ-Mg17Al12析出相则会逐渐长大，基体组织逐渐粗化，材料耐蚀性能降低。因此，获得高耐蚀性能AlN/AZ91复合材料的固溶+时效工艺参数的最佳搭配为(410～420℃)×(20～26h)+(210～230℃)×(12～15h)。其中，为了防止该复合材料的高温氧化，在固溶处理时应对其进行表面防护处理或者在真空(保护气)环境下进行。
通过对固溶处理工艺和时效处理工艺的不断改善和优化，获得了AlN/AZ91复合材料热处理工艺参数的最佳配比，进而提高了AlN/AZ91复合材料的耐蚀性能。铸态AlN/AZ91复合材料平均腐蚀速率为0.1183mg·cm-2·h-1，而经本专利热处理工艺后，复合材料的平均腐蚀速率降低为0.0436mg·cm-2·h-1，相对于铸态复合材料降低了63.15％。
因此，通过优化固溶处理和时效处理工艺，确定了最佳工艺参数，实现了高强高塑AlN/AZ91复合材料耐蚀性能的提高，将极大扩展镁合金的使用范围，有效解决镁合金耐腐蚀性差的技术瓶颈。
附图说明
图1：铸态(a)及不同热处理态(b-f)原位强化AlN/AZ91复合材料的微观组织；
(a)铸态；
(b)415℃×24h+220℃×4h；
(c)415℃×24h+220℃×8h；
(d)415℃×24h+220℃×12h；
(e)415℃×24h+220℃×16h；
(f)415℃×24h+220℃×20h；
图2：铸态和固溶+时效处理后AlN/AZ91复合材料在3.5wt％NaCl中腐蚀48h的平均腐蚀速率；
其中0h为铸态，4h、8h、12h、16h、20h分别为固溶处理后的时效时间
图3：原位AlN/AZ91复合材料在3.5wt％NaCl中腐蚀48h的微观组织
(a)铸态；
(b)415℃×24h+220℃×4h；
(c)415℃×24h+220℃×8h；
(d)415℃×24h+220℃×12h；
(e)415℃×24h+220℃×16h；
(f)415℃×24h+220℃×20h。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
AlN/AZ91镁基复合材料铸锭制备，其制备方法见专利ZL201510882938.5；
热处理为：
步骤1：将原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料用铝箔包裹放入热处理炉中或者将坯料直接放入真空热处理炉中，在410～420℃固溶处理20～26h，然后将其取出在常温水中进行淬火处理；
步骤2：将固溶处理后的原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料再次放入热处理炉中，在210～230℃时效12～15h，然后空冷；
具体实施例中的热处理参数选择为：
实施例1：固溶处理：415℃×24h；时效处理：220℃×4h；见图1和图3的b图；
实施例2：固溶处理：415℃×24h；时效处理：220℃×8h；见图1和图3的c图；
实施例3：固溶处理：415℃×24h；时效处理：220℃×12h；图1和图3的d图；
实施例4：固溶处理：415℃×24h；时效处理：220℃×16h；图1和图3的e图；
实施例5：固溶处理：415℃×24h；时效处理：220℃×20h。图1和图3的f图。
从复合材料坯料上切取耐腐蚀性能测试的试样；去除试样表面的氧化皮后进行耐蚀性能测试和评估。
从图1可以发现，铸态AlN/AZ91复合材料中的β-Mg17Al12相主要在α-Mg晶界上以断续粒状分布。在热处理过程中，随时效时间步延长，析出相数量逐渐增多，当时效时间达到12h时，析出相析出完全。随着时效时间进一步延长，析出相数量不再增加，而析出相尺寸逐渐增大，基体组织逐渐粗化。
根据图3可以看出，经固溶+时效处理后的AlN/AZ91复合材料的平均腐蚀速率明显低于铸态AlN/AZ91复合材料，并且当时效时间为12h时，AlN/AZ91复合材料的平均腐蚀速率最低，为0.0436mg·cm-2·h-1，相对于铸态复合材料降低了63.15％。这表明T6热处理可以有效提高AlN/AZ91复合材料的耐腐蚀性能。
表1为铸态和固溶+不同时效时间下AlN/AZ91复合材料在3.5wt％NaCl中的自腐蚀电位和腐蚀电流密度：
根据电化学腐蚀原理，自腐蚀电位反映的是腐蚀体系中由阴阳两极形成的混合电位，体现了腐蚀体系中的热力学特征，但仅能判断腐蚀发生的倾向性，而腐蚀电流密度体现的则是腐蚀体系中的动力学特征，即腐蚀发生的可能性。因此，腐蚀电流密度更能准确地反映材料的耐腐蚀性能的好坏，即腐蚀电流密度越小，材料的耐腐蚀性能越好。从表1中可以看出，时效时间在12h附近时，腐蚀电流密度最小，耐蚀性能更好。

Claims (2)

1.一种提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料放入真空热处理炉中，在410～420℃固溶处理20～26h，然后将其取出在常温水中进行淬火处理；
步骤2：再次放入热处理炉中，在210～230℃进行时效处理12～15h，然后空冷；促使基体晶界和晶内析出的γ-Mg17Al12相达到饱和，并且细小弥散且均匀地分布，获得高耐蚀性能AlN/AZ91复合材料。
2.根据权利要求1所述提高原位AlN/AZ91镁基复合材料耐蚀性能的热处理方法，其特征在于：所述步骤1将原位AlN/AZ91镁基复合材料坯料采用铝箔包裹放入热处理炉中，在410～420℃固溶处理20～26h，然后将其取出在常温水中进行淬火处理。
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