CN112522556B - 超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米晶体金属材料领域，具体地说是一种超硬、超稳定、耐腐蚀的纳米晶铝合金及制备方法。按重量百分比计，纳米晶铝合金组成为：5～6％Mg，其余为Al和杂质元素。利用表面机械碾磨技术在材料表面制备晶粒尺寸小于100nm的低能晶界纳米结构，其微观结构由拉长的纳米5～80nm晶粒组成，纳米晶的晶界主要是由低能重位点阵构成。本发明制备的Al‑Mg合金材料，维氏硬度可达2.67GPa，在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度icorr≤1μA/cm2。同时，本发明纳米晶Al‑Mg铝合金材料的强度大幅度提高，可达到超强铝合金的水平，适用于在含氯离子的苛刻腐蚀环境中使用的高强结构件的制备，且合金元素含量较低，有效降低材料生产回收成本，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米晶体金属材料领域，具体地说是一种超硬、超稳定、耐腐蚀的纳米晶铝合金及制备方法。
背景技术
铝合金具有低的密度、高的比强度及较好的成型性能等特点，被广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。铝合金在经济和技术上的地位显著，因而随着人类文明的进步和科学技术的发展，发展轻质高强铝合金已成为必然趋势，对我国经济可持续发展具有重要意义。
铝合金强度低是当前发展新型高强铝合金，拓展其应用领域所面临的巨大挑战。提高铝合金的强度本质在于阻碍位错的运动，通常强化铝合金的方法有两种。第一种方法是合金化+时效处理：通过适当的时效处理工艺(峰值时效)，在粗大的晶粒内部引入高密度、弥散分布的纳米尺度析出相，通过析出相来最大限度的阻碍位错的运动。然而，时效处理往往易造成晶界析出相的链状分布，从而严重降低铝合金的点蚀和局部腐蚀抗力，在高Zn、Mg和Cu含量的合金中这种现象尤为显著。20世纪前半叶，随着析出强化和峰值时效制度的发现诞生第一代高强铝合金。7075-T6铝合金是其中典型代表。Adler等人(参考文献1:P.N.Adler等，Metall Trans.1972；3:3191-3200)研究7075铝合金的力学性能与抗腐蚀性能。实验结果表明，通过峰值时效处理(T651)工艺，虽然7075铝合金的抗拉强度可达530MPa，但是由于大量第二相在晶界附近呈链状分布，从而使得该合金容易发生晶间应力腐蚀开裂，严重限制它的应用前景。T73过时效处理技术的发现，使得晶界析出相不连续分布，改善铝合金的应力腐蚀抗力，但是其耐蚀性能仍然较差。此外，过时效还会会引起晶内第二相粗化，从而使得其强度相对于峰值时效态降低10～15％。
晶粒细化强化是第二种实现铝合金强化的方法：基于著名的Hall-Petch关系(σy＝σ0+kyd-1/2，材料的强度与晶粒尺寸平方根倒成正比)，通过严重塑性变形或其它方式，在材料晶粒内部引入高密度的晶界，将其微观结构尺寸细化至微米或者纳米量级，利用大量存在的晶界限制或钉扎位错的运动，从而实现铝合金的强化。然而，当铝合金的晶粒尺寸细化至亚微米量级(0.1～1μm)时，进一步增加塑性变形量晶粒不再细化，形成典型的三维等轴状超细晶结构，且通常由高密度的高能大角晶界组成，从而使得纳米结构材料热稳定性变差，往往呈现出强度-热稳定性倒置的关系。此外，由于晶界处的晶格畸变较大，能量较高，可以提供异质形核的核心基底。通过塑性变形引入的高密度高能晶界，往往会加速析出相在晶界的链状分布。超细结构铝合金长时间暴露在70～150℃的温度下时，第二相迅速沿着晶界大量析出并且长大粗化。在腐蚀介质中第二相会溶解并导致选择性的沿着晶界腐蚀攻击，从而导致晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。因此，超细结构铝合金往往不能使用在具有热负荷或者含有腐蚀介质的区域。
由此可见，如何保证铝合金高强度性能的前提下提高其热稳定性和耐蚀性能，以满足工程应用对铝合金综合性能提出更高要求，是轻质高强铝合金领域的研究难点和热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种超硬、超稳定、耐腐蚀纳米晶铝合金及制备方法，通过大应变高速剪切变形处理获得低能重位点阵(CSL)晶界纳米结构，显著提高材料硬度以及热稳定性。同时，低能重位点阵晶界纳米结构能够有效的抑制时效过程中晶间平衡相的析出，从而使得纳米结构铝合金具有优异的抗腐蚀性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，Al-Mg合金的晶粒细化到小于百纳米尺度。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，按重量百分比计，Al-Mg合金的成份为：5～6％Mg，其余为Al和杂质元素，杂质元素的总含量低于0.05％。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，纳米晶的晶界包含低能重位点阵，其中，低能重位点阵体积比例为20～50％。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，低能重位点阵主要包括Σ3，Σ9，Σ11界面，低能重位点阵晶界结构能量≤0.2J/m2。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，在室温条件下，Al-Mg合金材料维氏硬度HV范围为2.0～2.67GPa；纳米晶起始粗化温度范围为200～215℃，在0.6mol/L的NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度icorr≤1μA/cm2。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，Al-Mg合金利用表面机械碾磨处理技术，经高应变速率及高应变梯度剪切变形处理，得到具有低能晶界结构的超硬超稳定耐腐蚀铝合金材料；其中，剪切变形的应变为10～60，高应变速率的取值范围为102s-1～105s-1，高应变梯度的取值范围为0.05～2μm-1，变形温度为-196℃～25℃。
所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，在表面机械碾磨处理时，控制被加工的轴类工件旋转速度为50～2000rpm，硬质球的直径为4～20mm，硬质球压入回转工件深度为5～100μm，刀头的推进速度为5～20mm/min，表面机械碾磨处理道次不低于2次。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、具有优异的综合性能。本发明利用表面机械碾磨处理技术(SMGT)，通过精确控制低温、高应变速率和高应变梯度在一定范围内，制备出具有高密度低能晶界的纳米结构铝合金材料，该材料在保证铝合金高强度性能的前提下同时提高其热稳定性和耐蚀性能，解决了目前高性能铝合金领域亟待解决的技术难题。
本发明制备的纳米晶铝合金材料具有非常高的室温硬度，维氏硬度可达2.67GPa，其硬度是相应粗晶样品的4倍，远高于用其它传统变形方法制备的变形铝合金的硬度。本发明的材料具有非常好的热稳定性，纳米晶起始粗化温度高达215℃，其晶粒长大温度比传统三维等轴状超细晶高90℃，打破纳米晶材料硬度-热稳定性倒置关系。同时，本发明的材料在70～150℃长时间时效处理后仍然具有优异的抗腐蚀性能，在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度为icorr≤1μA/cm2，是传统三维等轴状超细晶的1/8倍，适用于制造在含氯离子的苛刻腐蚀环境中使用的超硬和耐热铝合金。
2、应用性强。本发明的材料具有非常高的硬度(强度)，同时也具有优异的抗腐蚀性和热稳定性。因此，这种超硬超稳定耐腐蚀的纳米结构铝合金材料对轮船、汽车、飞机等的研发制造具有重要价值。
3、制备工艺简单，效率高。本发明利用传统的机床对金属材料进行结构性能改进，成本较低，具有广泛的工业应用前景。
附图说明
图1为经过表面机械碾磨处理后铝合金棒典型的纳米晶结构对应的透射电镜照片(a)、晶粒尺寸统计图(b)及取向差统计图(c)。
图2为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒纳米晶晶界的高分辨率透射电子显微镜照片。
图3为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒典型的三维超细晶结构的透射电镜照片(a)、晶粒尺寸统计图(b)及取向差统计图(c)。
图4为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶结构)的尺寸随退火温度的变化曲线。
图5为表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶结构)与其他塑性变形处理二元铝合金热稳定性和硬度的关系图。
图6为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶结构)以及固溶态粗晶结构150℃时效48小时后高角度环形暗场像照片。其中，(a)纳米晶、(b)超细晶、(c)粗晶。
图7为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶结构)以及固溶态粗晶结构150℃时效48小时后在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周之后的表面形貌照片。其中，(a)纳米晶、(b)超细晶、(c)粗晶。
图8为利用表面机械碾磨处理后铝合金棒制备的两种典型结构(低能纳米晶界结构与高能超细晶结构)以及固溶态粗晶结构150℃时效48小时后与其他时效态铝合金在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度和硬度的关系。
图9为5083-H34铝合金(a)，2024-T4铝合金(b)以及7075-T6铝合金(c)样品在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周之后的表面腐蚀形貌照片。
具体实施方式
在具体实施过程中：
(1)定义
为了清楚起见，对本申请中使用的相关术语给出以下定义，仅适用于本申请：
晶界：多数晶体物质由许多晶粒组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。
晶界能：由于晶界上的原子排列是不规则的，有畸变，从而使得系统的自由能增高，晶界能定义为形成单位面积界面时。系统的自由能变化，等于界面单位面积的能量减去无界面时该区单位面积的能量。
孪晶界：在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两晶体所共有，自然地完全匹配，使此孪晶面成为无畸变的完全共格界面，它的能量很低，很稳定。
小角度晶界：相邻晶粒间的位向差小于15°的界面。通常它的能量较低，较稳。
低能晶界结构：材料晶粒间的界面由一些能量较低的晶界构成，比如：孪晶界和小角度晶界。
晶粒细化：通过塑性变形或其他方法，在材料晶粒内部引入高密度的晶界(包括大角晶界、小角晶界和孪晶界)。
重位点阵(CSL)：一种描述晶界特性的重要模型。重合位置是两个点阵匹配好的位置，如果晶界面处在CSL密排或者较密排面上，这种晶界是低能界面(奇异晶界)，界面上匹配良好的位置越多，界面能量越低。
Σ3，Σ9，Σ11界面：重位点阵，其中Σ3是两个点阵中每3个阵点就有一个重合，即重合密度为1/3，以Σ表示倒易重合密度，即Σ3、Σ9、Σ11依此类推。
维氏硬度HV：评估材料硬度的一种标准，维氏硬度(HV)以一定的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为材料的维氏硬度值(HV)。
纳米晶起始粗化温度范围：纳米晶晶粒在退火过程中结构粗化，晶粒尺寸开始增大对应的温度。
晶间腐蚀：腐蚀沿着或者紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀。
腐蚀电流密度(腐蚀速率)icorr：阴阳极化曲线相交于一点，具有共同的电位，相交点的电位是整个金属电极的非平衡的稳定电位，称之为混合电位；当金属腐蚀时，则称之为腐蚀电位或自然腐蚀电位。对应于腐蚀电位的电流密度称为腐蚀电流密度或自然腐蚀电流密度。腐蚀电流密度越小，耐腐蚀性越强。
(2)实验方法
如无特别说明，本申请中使用如下实验方法对样品进行测试和表征。
(3)显微硬度测试
采用MitutoyoMVK-H3显微硬度仪测量样品的维氏硬度，实验中所用载荷为20g，加载时间为10s。每一硬度值取10次测量的平均值。
(4)热稳定性测试
退火处理在真空炉中进行，运用热电偶测控温(±1°)。具体的实验操作如下：首先将退火炉升至预设温度，然后迅速放入样品并做真空处理，以防止样品氧化；保温30min后，将样品取出，置于水中快速冷却。
(5)微观结构表征
结构表征主要运用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)，包括：样品腐蚀前后表面形貌，材料微观形貌，晶界类型，晶界原子尺度结构信息。腐蚀前后样品表面形貌在FEI Verios 460上完成，低倍形貌在Tecnai G2 F200上完成，晶界结构的高分辨观察在FEI Titan Themis 80-300上完成。
(6)电化学测试
电化学测试所用电化学工作站为PARSTAT 4000，试样的电化学测试采取三电极体系，试样本身为工作电极，对电极为Pt片电极，参比电极是饱和甘汞电极(Saturatedcalomel electrode,SCE)。带有鲁金毛细管的盐桥用于连接工作电极和参比电极，鲁金毛细管尽量靠近工作电极表面以减少溶液电阻的影响。动电位极化曲线扫描速率为0.167mV/s，实验重复三次。实验介质为0.6mol/L NaCl水溶液(pH＝6)，实验温度控制在室温，浸泡时间为168h。实验均在室温下进行。
下面，结合附图和实施例进一步详述本发明。
实施例1：
本实施例中，利用表面机械碾磨处理技术在铝合金棒表层获得低能晶界纳米结构：
材料：按重量百分比计，镁为5％，余量为铝及杂质元素，且杂质的总含量低于0.05％，350℃退火4小时，平均晶粒尺寸为100μm；
铝合金棒直径：20mm；
设备：数控车床；
加工刀具直径：8mm；
加工道次：4次；
主轴(被处理工件)转速：300rpm；
刀头压入量：30μm/次；
刀头运动(进给)速度：6mm/min；
变形应变速率：～5×103s-1；
应变梯度：～0.3μm-1；
变形温度：-196℃。
如图1所示，铝合金棒经处理后，在表层获得拉长的低能纳米晶结构。图1(a)为铝合金棒表层纳米结构的透射电镜照片，图1(b)为铝合金棒表层纳米结构的晶粒尺寸统计，结果表明其平均晶粒尺寸为31nm。图1(c)为铝合金棒表层纳米结构的取向差统计，结果表明晶界主要由低能的CSL界面以及低能的小角晶界组成。
如图2所示，高分辨率透射电子显微镜照片，表明纳米结构晶界类型是典型的低能CSL界面，大量高分辨率电镜观察支持这一观察结果。材料表层硬度值为2.67±0.07GPa。对纳米结构从100℃到250℃温度区间进行半小时的退火实验，表明纳米晶起始粗化温度约为215℃(见图4)。
如图5所示，与其他变形二元铝合金比，本发明具有低能晶界结构的铝合金兼具超硬超稳定的性能。如图6(a)所示，纳米结构在150℃48h时效处理后高角度环形暗场像照片，表明纳米结构比较稳定，晶界上几乎没有第二相析出。如图7(a)所示，将具有低能晶界结构的时效态纳米晶样品在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周的表面形貌，由图可知，材料表面没有发生明显的晶界腐蚀，因此通过表面机械碾磨处理获得低能晶界纳米结构可以显著改善铝合金的耐腐蚀性能。如图8所示，与其他时效铝合金比，本发明具有低能晶界结构的铝合金不仅具有高的硬度同时还具有低的腐蚀电流密度，在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中腐蚀电流密度为icorr≤1μA/cm2，是传统三维等轴状超细晶的1/8倍。
比较例1
使用与实施例1相同的材料，利用表面机械碾磨处理在铝合金棒表层获得典型高能三维等轴超细晶结构：
铝合金棒直径：20mm；
设备：数控车床；
加工刀具直径：8mm；
加工道次：2次；
主轴(被处理工件)转速：300rpm；
刀头压入量：20μm/次；
刀头运动(进给)速度：6mm/min；
变形应变速率：～5×102s-1；
应变梯度：～0.05μm-1；
如图3所示，铝合金棒经处理后，在表层获得典型的超细晶结构。图3(a)为铝合金棒表层典型的超细晶结构的透射电镜照片，图3(b)为铝合金棒表层典型的超细晶结构的晶粒尺寸统计，结果表明其平均晶粒尺寸为168nm。图3(c)为铝合金棒表层纳米结构的取向差统计，结果表明晶界主要由高能的大角晶界组成。材料表层硬度值为1.67±0.05GPa。对超细晶结构从100℃到250℃温度区间进行半小时的退火实验，表明超细晶结构起始粗化温度约为125℃(见图4)。
如图6(b)所示，超细晶结构在150℃48h时效处理后高角度环形暗场像照片，观察发现超细晶晶界上有大量连续的第二相析出。并且时效后超细晶结构的硬度降低至1.18±0.05GPa。如图8所示，其腐蚀电流密度为icorr＝6.1μA/cm2。如图7(b)所示，将时效态超细晶样品在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周的表面形貌，由图可知，材料表面出现非常严重的局部腐蚀。本发明制备的纳米晶界结构与超细晶结构的最根本的区别在于，前者结构尺寸更小，具有高密度的低能CSL界面，硬度(或者强度)更高、热稳定性更好以及优异的耐腐蚀性能，是一种超硬、超稳定、耐腐蚀的低能纳米结构。
比较例2
使用与实施例1相同的材料，350℃退火4分钟获得平均晶粒尺寸10μm的粗晶结构样品。其硬度值为0.69±0.03GPa。如图6(c)所示，粗晶结构在150℃48h时效处理后高角度环形暗场像照片，观察发现粗晶晶界上有大量的第二相析出。如图8所示，腐蚀电流密度为icorr＝4.2μA/cm2。如图7(c)所示，将时效态粗晶样品在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周的表面形貌，由图可知，材料表面同样出现非常严重的局部腐蚀。
比较例3
5083-H34样品的硬度值为0.91±0.05GPa。如图8所示，其腐蚀电流密度为icorr＝4μA/cm2。如图9(a)所示，5083-H34铝合金在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周后的表面形貌，由图可知，材料表面出现非常严重的局部腐蚀。
比较例4
2024-T4样品硬度值为1.43±0.05GPa。如图8所示，其腐蚀电流密度为icorr＝9.2μA/cm2。如图9(b)所示，2024-T4铝合金在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周后的表面形貌，由图可知，材料表面出现非常严重的局部腐蚀。
比较例5
7075-T6样品硬度值为1.80±0.08GPa。如图8所示，腐蚀电流密度为icorr＝9.8μA/cm2。如图9(c)所示，7075-T6铝合金在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中浸泡一周后的表面形貌，由图可知，材料表面出现非常严重的局部腐蚀。
实施例和比较例结果表明，本发明方法利用表面机械碾磨技术在材料表面制备晶粒尺寸小于100nm的低能晶界纳米结构。其微观结构由拉长的纳米5～80nm晶粒组成，纳米晶的晶界主要是由低能重合位置点阵构成。本发明有效地解决纳米金属材料在高温时因晶粒长大以及晶界平衡相析出而失去其优良性能的问题，其维氏硬度最高可达2.67GPa。同时，腐蚀测试发现，该时效态纳米晶体材料具有优异的抗腐蚀性能，在0.6mol/L NaCl溶液(pH＝6)中的腐蚀电流密度icorr≤1μA/cm2，同时本发明纳米晶Al-Mg铝合金材料的强度大幅度提高，可达到超强铝合金的水平，适用于在含氯离子的苛刻腐蚀环境中使用的高强结构件的制备，且合金元素含量较低，有效降低材料生产回收成本，具有广泛的应用前景。
Claims (3)
1.一种超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金，其特征在于，Al-Mg合金的晶粒细化到小于百纳米尺度，纳米晶的晶界包含低能重位点阵，其中，低能重位点阵体积比例为20~50 %，低能重位点阵主要包括Σ3，Σ9，Σ11界面，低能重位点阵晶界结构能量≤0.2 J/m2；在室温条件下，Al-Mg合金材料维氏硬度HV范围为2.0～2.67 GPa；纳米晶起始粗化温度范围为200～215℃，在0.6 mol/L、pH=6的NaCl溶液中腐蚀电流密度icorr≤1μA/cm2；
按重量百分比计，Al-Mg合金的成份为：5～6%Mg，其余为Al和杂质元素，杂质元素的总含量低于0.05%。
2.一种权利要求1所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，其特征在于，Al-Mg合金利用表面机械碾磨处理技术，经高应变速率及高应变梯度剪切变形处理，得到具有低能晶界结构的超硬超稳定耐腐蚀铝合金材料；其中，剪切变形的应变为10～60，高应变速率的取值范围为102 s-1～105 s-1，高应变梯度的取值范围为0.05～2 μm-1，变形温度为-196℃～25℃。
3.按照权利要求2所述的超硬超稳定耐腐蚀纳米晶Al-Mg合金的制备方法，其特征在于，在表面机械碾磨处理时，控制被加工的轴类工件旋转速度为50～2000 rpm，硬质球的直径为4～20 mm，硬质球压入回转工件深度为 5～100 μm，刀头的推进速度为5～20 mm/min，表面机械碾磨处理道次不低于2次。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN104759830A (zh) * | 2013-12-11 | 2015-07-08 | 波音公司 | 生产性能增强的金属材料的方法 |
| CA2985291A1 (en) * | 2015-05-14 | 2016-11-17 | Hybond As | Extrusion material |
| CN105543587A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-05-04 | 江苏大学 | 一种超高强纳米晶Al-Mg铝合金材料及其制备方法 |
| CN207552382U (zh) * | 2017-11-21 | 2018-06-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种对金属材料表层进行处理提高材料性能的测力装置 |
| CN109252115A (zh) * | 2017-11-23 | 2019-01-22 | 中南大学 | 一种超高强度铝合金材料及其制备方法 |
| CN108913854A (zh) * | 2018-09-06 | 2018-11-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有优异综合高周和低周疲劳性能的梯度纳米结构 |
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| 塑性变形制备纳米金属材料的稳定性研究;周鑫;《中国博士学位论文全文数据库(电子期刊)工程科技I辑》;20190815(第8期);第68页倒数第2段，第70页最后1段，第71页第1-2段，图3.21 * |
| 梯度纳米结构材料;卢柯;《金属材料》;20150131;第51卷(第1期);全文 * |
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