CN112708832A - 一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法，通过超声滚压技术在铝合金材料表面形成纳米梯度层。经试验，利用本发明对铝合金进行表面改性处理后，材料的表面粗糙度显著降低，改善了铝合金表面质量；铝合金经超声滚压技术表面改性处理后，7075铝合金的耐腐蚀性能得到了明显的提高，其腐蚀速率比原始试样降低了22.02%。

Description

一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法，属于铝合金材料技术领域。
背景技术
7XXX铝合金由于具有低成本、高比强度等特点被广泛应用于航空航天、汽车和建筑等行业。但7XXX铝合金的耐腐蚀性能较差，这在很大程度上限制了该材料的应用与发展。在服役环境下，铝合金的腐蚀大多产生于材料的表面，因此提高材料的表面性能将显著提高材料的使用寿命。
1999年，Lu等人提出了金属材料表面纳米化的概念，材料经表面纳米化处理后，材料表层可在空间上呈现由纳米级到微米级变化的梯度纳米结构。目前常用的制备梯度纳米结构的方法有：表面机械研磨SMAT(Surface mechanical attrition treatment)、表面机械滚压SMRT(Surface mechanical rolling treatment)和表面喷丸SP(Shot peening)等。但是对于表面改性后获得的梯度纳米结构是否能够改善材料的耐腐蚀性能，至今并没有一个统一结论。例如，Pandey V等人发现超声喷丸(USSP)提高了7075铝合金在3.5％NaCl溶液中的耐腐蚀性。Wen L等人通过表面机械研磨处理(SMAT)形成的纳米晶层增强了2024-T4铝合金的耐腐蚀性。而Abdulstaar等人研究发现，经SP处理后的5083铝合金的耐腐蚀性能降低。Li等人对比分析了SMAT处理后的316L不锈钢的耐腐蚀性变化，结果表明，SMAT恶化了316L在室温下的耐腐蚀性能。
发明内容
基于上述，本发明提供一种通过超声滚压技术以提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法。
本发明的技术方案是：一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法，通过超声滚压技术在铝合金材料表面形成纳米梯度层。
可选的，所述铝合金为7XXX铝合金。
可选的，所述铝合金为7075铝合金。
可选的，所述铝合金为T6态。
可选的，所述铝合金材料为圆棒状。
可选的，在进行超声滚压前，对所述铝合金材料进行表面打磨处理。
可选的，采用砂轮机对所述铝合金材料进行表面打磨处理。
可选的，所述超声滚压的工艺参数为：气压压强为0.12～0.15MPa，车床转速为90-110r/min，进给量为0.1-0.12mm/r，滚压道次为1～24次。
超声滚压技术是一种新兴的表面处理技术，通过往复加工使工件表面受力均匀，加深塑性变形层，减小晶粒尺寸。目前，超声滚压技术主要应用在钛合金和不锈钢材料中，通过在这些材料表面超声滚压形成纳米梯度层以改善纳米材料的塑性，通过表面超声滚压形成深的残余压应力表层以提高材料的疲劳性能。表面超声滚压改善耐蚀性这一方法多用在钢和钛中，而在铝合金中多采用回归再时效提高材料的耐蚀性，主要原因是铝合金具有高层错能，位错易于交滑移，不利于位错的增殖，从而不利于表层获得纳米晶层。
本发明的有益效果是：本发明通过超声滚压技术(USRP)在铝合金中制备出梯度纳米结构的同时使其表面光洁度也得到提高，从而使铝合金在耐腐蚀性能上达到一个良好的状态。
在本发明方法中，通过提高冲击能量和速度，可使铝合金材料表层组织细化到纳米晶尺寸。虽然高的冲击速度和强度易使软的铝合金表面开裂，但通过控制滚压的道次，可避免开裂，有好的光洁度。本发明通过控制冲击速度、滚动速度和高的冲击能量，使铝合金表层形成纳米晶，并具有高的表面覆盖率
经申请人试验，利用USRP技术对铝合金进行表面改性处理后，材料的表面粗糙度显著降低，改善了铝合金表面质量；铝合金经USRP表面改性处理后，7075铝合金的耐腐蚀性能得到了明显的提高，其腐蚀速率比原始试样降低了22.02％。
附图说明
图1为USRP处理前7075铝合金的表面形貌图；
图2为USRP处理后7075铝合金的表面形貌图；
图3为原始T6态7075铝合金的金相组织图片；
图4为USRP处理后7075铝合金的金相组织图片；
图5为未经USRP处理的7075铝合金在3.5％NaCl溶液中浸泡48h后的表面形貌图；
图6为经USRP处理后的7075铝合金在3.5％NaCl溶液中浸泡48h后的表面形貌图；
图7为USRP处理前后7075铝合金的极化曲线图，其中实施例滚压12道次；
图8为USRP处理前后7075铝合金的阻抗谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例：
1、将原始T6态7075铝合金加工成尺寸为φ30×100mm的圆棒样。
2、对7075铝合金圆棒样用砂轮机打磨表面，去除材料表面的加工痕迹。
3、将7075铝合金圆棒样安装在超声滚压机床上，对圆棒样进行USRP处理，其具体加工参数为：气压压强为0.15MPa，转速为110r/min，进给量为0.1mm/r，滚压道次分别为1、6、12、18次。
对比例1：
1、将原始T6态7075铝合金加工成尺寸为φ30×100mm的圆棒样。
2、对7075铝合金圆棒样用砂轮机打磨表面，去除材料表面的加工痕迹，得原始样。
对比例2：
1、将原始T6态7075铝合金加工成尺寸为φ30×100mm的圆棒样。
2、对7075铝合金圆棒样用砂轮机打磨表面，去除材料表面的加工痕迹。
3、将7075铝合金圆棒样安装在超声滚压机床上，对圆棒样进行USRP处理，其具体加工参数为：气压压强为0.18MPa，转速为90r/min，进给量为0.12mm/r，滚压道次为12次。
试验效果：
1、表面粗糙度
经USRP表面改性处理后的7075铝合金表面粗糙度Ra由原始的0.51μm(对比例1)下降到0.053、0.069、0.091和0.294μm，极大改善了合金材料的表面质量。
表1表面粗糙度
Figure BDA0002841197530000041
2、梯度变形层厚度
以滚压道次12为例，经USRP表面改性处理后7075铝合金表层晶粒尺寸大幅降低，梯度变形层厚度为376μm；
3、浸泡腐蚀实验表明：以滚压道次12为例，相比于原始试样(对比例1)，经USRP表面改性处理后7075铝合金的腐蚀深度明显降低，由3.954μm降低至1.386μm。
4、电化学腐蚀实验表明：以滚压道次12为例，经USRP表面改性处理后7075铝合金的自腐蚀电流由原始样(对比例1)的1.572E-3A降低至1.225E-3A，USRP处理后试样的腐蚀速率比原始样降低了22.02％。相较于原始样，USRP处理后试样的容抗弧半径显著增大。综上可知，USRP处理后试样耐腐蚀性能增强。这主要是因为USRP处理后，表层晶粒得到了细化且表面粗糙度大幅降低导致耐腐蚀性能提高。
而通过对比例2可知，经常规USRP表面改性处理后7075铝合金的自腐蚀电流由原始样的1.572E-3A升高至2.745E-3A，USRP处理后试样的腐蚀速率比原始样(对比例1)升高了74.73％。相较于原始样(对比例1)，常规USRP处理后试样的容抗弧半径显著减小。综上可知，常规USRP处理后试样耐腐蚀性能降低。这主要是因为常规USRP处理后，试样改性层中产生了严重表面损伤导致耐腐蚀性下降。
表2 7075铝合金极化曲线的拟合结果
Figure BDA0002841197530000051
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法，其特征在于，通过超声滚压技术在铝合金材料表面形成纳米梯度层。
2.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述铝合金为7XXX铝合金。
3.根据权利要求2所述的表面改性方法，其特征在于，所述铝合金为7075铝合金。
4.根据权利要求3所述的表面改性方法，其特征在于，所述铝合金为T6态。
5.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述铝合金材料为圆棒状。
6.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，在进行超声滚压前，对所述铝合金材料进行表面打磨处理。
7.根据权利要求6所述的表面改性方法，其特征在于，采用砂轮机对所述铝合金材料进行表面打磨处理。
8.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于，所述超声滚压的工艺参数为：气压压强为0.12～0.15MPa，车床转速为90-110r/min，进给量为0.1-0.12mm/r，滚压道次为1～24次。
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