CN115637359A - 一种耐腐蚀性5083铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种耐腐蚀性5083铝合金及其制备方法，Si的含量小于或等于0.4wt％，Fe的含量小于或等于0.4wt％，Cu的含量小于或等于0.10wt％，Mn的含量为0.4～1.0wt％，Mg的含量为4～4.9wt％，Cr的含量为0.05～0.25wt％，Zn的含量小于或等于0.25wt％，Ti的含量小于或等于0.15wt％，Ce的含量为0.006～0.025wt％，Na的含量小于或等于5×10‑6，余量为Al。耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，包括熔炼浇铸均匀化处理热轧处理退火处理几个步骤。本发明在5083铝合金制备过程中添加特定形式和特定含量的稀土元素，并选择特定的熔炼铸造和热处理工艺，制备得到耐腐蚀性和力学性能均较为理想的5083铝合金。
Description
技术领域
本发明涉及耐腐蚀性铝合金技术领域。具体地说是一种耐腐蚀性5083铝合金及其制备方法。
背景技术
现有研究已经证明，在5XXX系铝合金中添加一定量的稀土元素，可以较为明显的提高其耐腐蚀性能，小孔腐蚀、大气腐蚀及均匀腐蚀性能均有一定程度的改进。添加稀土元素也可以起到提高5XXX 系铝合金的抗剥落腐蚀的性能，稀土元素加入量在合理的范围内时，明显改善变形铝合金耐腐蚀性能，但是当加入的稀土含量过高时，反而不利于合金的耐腐蚀性能。目前，有关稀土元素对5XXX系铝合金的研究大多数都集中在腐蚀问题上，但对于5XXX系铝合金来说，添加稀土元素除了会影响其耐腐蚀性之外，还会对合金组织及力学性能产生影响。
5083铝合金的主要添加元素是Mg，镁含量范围为4.0-4.9％，在生产应用上适合焊接成形，耐大气腐蚀及海水腐蚀性能良好，各种变形加工性能优良，在低温状态下仍然保持较好的力学性能，通过轧制等形变加工及适宜的热处理工艺具备较好的强度指标，5083铝合金板材在造船行业应用广泛，常用于制造船舶的船身、甲板、操作台等。但由于5083铝合金冷轧板在室温下自然时效，使材料的耐腐蚀性和抗拉强度下降。因此，可考虑向5083铝合金中添加稀土元素来提高其耐腐蚀性。但目前，关于不同添加量的稀土元素对5083铝合金微观组织及夹杂物的影响规律并不明确，且5083铝合金的铸造工艺和热处理方法也会影响稀土元素对5083铝合金耐腐蚀性优化作用的发挥，因此，有必要开发一种耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，以便于在添加稀土元素的情况下，找到合适的熔炼铸造方法及热处理工艺，以使得稀土元素能够更好地提高5083铝合金的耐腐蚀性，且制备得到综合性能优良的5083铝合金。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种耐腐蚀性5083铝合金及其制备方法，在5083铝合金制备过程中添加特定形式和特定含量的稀土元素，并选择特定的熔炼铸造和热处理工艺，制备得到耐腐蚀性和力学性能均较为理想的5083铝合金。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种耐腐蚀性5083铝合金，Si的含量小于或等于0.4wt％，Fe的含量小于或等于0.4wt％，Cu的含量小于或等于0.10wt％，Mn的含量为0.4～1.0wt％，Mg的含量为4～4.9wt％，Cr的含量为0.05～ 0.25wt％，Zn的含量小于或等于0.25wt％，Ti的含量小于或等于0.15wt％，Ce的含量为0.006～ 0.025wt％，Na的含量小于或等于5×10-6，余量为Al。
上述耐腐蚀性5083铝合金，Si的含量为0.4wt％，Fe的含量为0.1wt％，Cu的含量为0.009wt％， Mn的含量为0.49wt％，Mg的含量为4.2wt％，Cr的含量为0.12wt％，Zn的含量小于或等于0.001wt％， Ti的含量小于或等于0.02wt％，Ce的含量为0.015wt％，Na的含量小于或等于1×10-6(钠含量为需要控制的杂质元素，含量超标影响该耐腐蚀5083铝合金的性能)，余量为Al。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)熔炼浇铸：将铝合金原料和 Al-Ce中间合金置于熔炼设备中熔炼后，浇铸得到铝锭；步骤(2)均匀化处理：将浇铸得到的铝锭进行均匀化处理，处理结束后随炉冷却至室温；步骤(3)轧制处理：将均匀化处理后的铝锭进行先热轧后温轧的轧制处理，得到铝板；热轧的总变形率为80～95％；温轧的总变形率为40～45％；步骤 (4)退火处理：将轧制后得到的铝板进行去应力退火处理，处理结束后随炉冷却至室温，即得到耐腐蚀性5083铝合金。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(1)熔炼浇铸的方法包括如下步骤：步骤(1-1)：将标准5083铝合金裁剪成铝板，置于熔炼炉中熔炼，得到铝合金原料液；步骤(1-2)：向铝合金原料液中加入含Ce中间合金熔炼，并在表面覆盖一层2号溶剂，得到稀土铝合金原料液；步骤(1-3)：将稀土铝合金原料液升温至熔炼温度并进行首次保温，首次保温结束后进行充分搅拌；搅拌结束后待炉温稳定至熔炼温度，进行二次保温；步骤(1-4)：二次保温结束后对稀土铝合金原料液进行扒渣处理；然后倒入预热好的浇铸容器中进行浇铸；待稀土铝合金原料液完全凝固后取出置于空气中冷却至室温，得到铝锭。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(1-1)中，标准5083铝合金的Si含量为0.131wt％， Fe的含量为0.337wt％，Cu的含量为0.034wt％，Mn的含量为0.493wt％，Mg的含量为4.308wt％，Cr 的含量为0.018wt％，Zn的含量为0.040wt％，Ti的含量为0.008wt％；步骤(1-2)中，含Ce中间合金的制备方法为：以Ce的质量分数为30％的Al-30％Ce合金和标准5083铝合金为原料，熔炼得到Ce 含量为6000ppm的5083铝合金铸锭，即为含Ce中间合金。将Ce以含Ce中间合金的方式加入能够实现耐腐蚀性5083铝合金中Ce含量的精准控制。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(1-1)中，熔炼时，以15℃/min的速率升温至780 ℃，熔炼时间为50～55min；步骤(1-2)中，将铝合金原料液温度维持熔炼温度至780℃，加入含 Ce中间合金后熔炼15min；2号溶剂为鹤壁太行科技有限公司生产的RJ-2溶剂，2号溶剂的加入量为稀土铝合金原料液重量的0.5～0.8wt％；步骤(1-3)中，熔炼温度为750～800℃，首次保温时间为 30min，二次保温时间为15min；搅拌时间为0.5min；步骤(1-4)中，浇铸容器的预热方法为：在 200℃条件下保温15min；浇铸时间控制在6-8秒；铝锭的尺寸为￠80mm×70mm。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(2)中，均匀化处理的方法为：以5℃/min的升温速率升温至460～465℃，保温18～25h。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(3)中，轧制处理的具体方法为：将铝锭预热至 510℃保温2h后，以450～480℃为开轧温度，按照铝锭－38mm-30.2mm-26.1mm-22.3mm-19.9mm -16.2mm-13mm-10.5mm-8.4mm-5.5mm的轧制道次将铝锭热轧成厚度为5.5mm的铝板；然后控制轧制温度在150℃～350℃并按照厚铝板-4.6mm-3.9mm-3.52mm-3.1mm的轧制道次继续将铝板温轧成厚度为3.1mm的铝板。
上述耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，步骤(4)中退火处理方式为去应力退火：以5℃/min的加热速率升温至200℃保温2h。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明通过在熔炼过程中添加Ce含量为6ppm的5083铝合金作为含Ce中间合金，确定了耐腐蚀性5083铝合金的熔炼工艺，实现了5083铝合金中稀土元素含量的精准控制。其次，本发明研究了添加稀土元素后5083铝合金铸锭的均匀化处理工艺及板材的轧制工艺，及轧板后的去应力退火和再结晶退火工艺对板材的综合力学性能及组织结构与夹杂物的影响。最后确定了添加稀土元素Ce(0–250 ppm)的最优的稀土添加方案并确定了添加稀土元素后5083铝合金铸锭的轧制工艺、均匀化处理工艺及退火处理工艺，制备得到了耐腐蚀性和力学性能均较为理想的5083铝合金。
附图说明
图1本发明实施例中的添加稀土元素铈的5083铝合金的研究路线图；
图2本发明实施例中的添加稀土元素铈的5083铝合金的详细研究路线图；
图3-1本发明实施例中添加稀土元素铈的5083铝合金的熔炼流程图；
图3-2本发明实施例中铸锭的试样取样位置图；
图3-3本发明实施例中铸锭的外观质量示意图；
图3-4本发明实施例中铸锭低倍组织图；
图3-5a本发明实施例中1#铸锭位置1高倍组织图；
图3-5b本发明实施例中1#铸锭位置2高倍组织图；
图3-5c本发明实施例中1#铸锭位置3高倍组织图；
图3-5d本发明实施例中2#铸锭位置1高倍组织图；
图3-5e本发明实施例中2#铸锭位置2高倍组织图；
图3-5f本发明实施例中2#铸锭位置3高倍组织图；
图3-5g本发明实施例中3#铸锭位置1高倍组织图；
图3-5h本发明实施例中3#铸锭位置2高倍组织图；
图3-5i本发明实施例中3#铸锭位置3高倍组织图；
图3-5j本发明实施例中4#铸锭位置1高倍组织图；
图3-5k本发明实施例中4#铸锭位置2高倍组织图；
图3-5l本发明实施例中4#铸锭位置3高倍组织图；
图3-5m本发明实施例中5#铸锭位置1高倍组织图；
图3-5n本发明实施例中5#铸锭位置2高倍组织图；
图3-5o本发明实施例中5#铸锭位置3高倍组织图；
图4-1本发明实施例中铝锭规格及形状示意图；
图4-2本发明实施例中压下道次与轧件厚度的关系曲线图；
图4-3本发明实施例中压下道次与压下量的关系曲线图；
图4-4本发明实施例中5083铝合金铸锭边部开裂的轧制缺陷；
图5-1本发明实施例添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材经去应力退火后的拉伸力学性能；图5-2a本发明实施例中1#-横向5083铝合金板材经去应力退火后的显微组织图；
图5-2b本发明实施例中2#-横向5083铝合金板材经去应力退火后的显微组织图；
图5-2c本发明实施例中3#-横向5083铝合金板材经去应力退火后的显微组织图；
图5-2d本发明实施例中4#-横向5083铝合金板材经去应力退火后的显微组织图；
图5-2e本发明实施例中5#-横向5083铝合金板材经去应力退火后的显微组织图；
图5-3a本发明实施例中1#5083铝合金板材经去应力退火后的拉伸断口形貌图；
图5-3b本发明实施例中2#5083铝合金板材经去应力退火后的拉伸断口形貌图；
图5-3c本发明实施例中3#5083铝合金板材经去应力退火后的拉伸断口形貌图；
图5-3d本发明实施例中4#5083铝合金板材经去应力退火后的拉伸断口形貌图；
图5-4a本发明实施例中1#5083铝合金板材经310℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-4b本发明实施例中2#5083铝合金板材经310℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-4c本发明实施例中3#5083铝合金板材经310℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-4d本发明实施例中4#5083铝合金板材经310℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-5a本发明实施例中1#5083铝合金板材经410℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-5b本发明实施例中2#5083铝合金板材经410℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-5c本发明实施例中3#5083铝合金板材经410℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-5d本发明实施例中4#5083铝合金板材经410℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-6a本发明实施例中1#5083铝合金板材经460℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-6b本发明实施例中2#5083铝合金板材经460℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-6c本发明实施例中3#5083铝合金板材经460℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-6d本发明实施例中4#5083铝合金板材经460℃再结晶退火后的显微组织图；
图5-7a本发明实施例中添加250ppm稀土元素Ce的5083铝合金经460℃×24h再结晶退火后夹杂物的EDS结果(点1的能谱)；
图5-7b本发明实施例中添加250ppm稀土元素Ce的5083铝合金经460℃×24h再结晶退火后夹杂物的EDS结果(点2的能谱)；
图6-1a本发明实施例中1#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的开路电位监测曲线图；
图6-1b本发明实施例中2#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的开路电位监测曲线图；
图6-1c本发明实施例中3#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的开路电位监测曲线图；
图6-1d本发明实施例中4#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的开路电位监测曲线图；
图6-2a本发明实施例中1#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的电化学阻抗谱的Nyquist图；
图6-2b本发明实施例中2#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的电化学阻抗谱的Nyquist图；
图6-2c本发明实施例中3#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的电化学阻抗谱的Nyquist图；
图6-2d本发明实施例中4#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的电化学阻抗谱的Nyquist图；
图6-3a本发明实施例中1#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的循环极化曲线图；
图6-3b本发明实施例中2#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的循环极化曲线图；
图6-3c本发明实施例中3#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的循环极化曲线图；
图6-3d本发明实施例中4#5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的循环极化曲线图；
图6-4a本发明实施例中1#5083铝合金在晶间腐蚀溶液中浸泡24h后最大腐蚀深度测量结果示意图(182μm)；
图6-4b本发明实施例中1#5083铝合金在晶间腐蚀溶液中浸泡24h后最大腐蚀深度测量结果示意图(103μm)；
图6-4c本发明实施例中1#5083铝合金在晶间腐蚀溶液中浸泡24h后最大腐蚀深度测量结果示意图(169μm)；
图6-4d本发明实施例中1#5083铝合金在晶间腐蚀溶液中浸泡24h后最大腐蚀深度测量结果示意图(226μm)；
图6-5a本发明实施例中1#5083铝合金模拟海水浸泡试验30d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5b本发明实施例中2#5083铝合金模拟海水浸泡试验30d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5c本发明实施例中3#5083铝合金模拟海水浸泡试验30d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5d本发明实施例中4#5083铝合金模拟海水浸泡试验30d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5e本发明实施例中1#5083铝合金模拟海水浸泡试验45d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5f本发明实施例中2#5083铝合金模拟海水浸泡试验45d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5g本发明实施例中3#5083铝合金模拟海水浸泡试验45d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5h本发明实施例中4#5083铝合金模拟海水浸泡试验45d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5i本发明实施例中1#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5j本发明实施例中2#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5k本发明实施例中3#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-5l本发明实施例中4#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的宏观腐蚀形貌图；
图6-6a本发明实施例中1#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的扫描电镜形貌图；
图6-6b本发明实施例中2#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的扫描电镜形貌图；
图6-6c本发明实施例中3#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的扫描电镜形貌图；
图6-6d本发明实施例中4#5083铝合金模拟海水浸泡试验60d后的扫描电镜形貌图；
图6-7a本发明实施例中添加稀土元素的5083铝合金模拟海水浸泡试验的腐蚀失重率和时间曲线图；
图6-7b本发明实施例中慢应变速率应力腐蚀拉伸试样尺寸示意图；
图6-8本发明实施例中试验合金在空气和3.5％NaCl溶液中的SSRT曲线图；
图6-9a本发明实施例中试验合金在50℃的空气中的扫描断口形貌图；
图6-9b本发明实施例中试验合金在3.5％NaCl溶液中的扫描断口形貌图。
具体实施方式
第一部分试验材料
1.1材料制备
1.1.1成分设计
由于添加适量的稀土元素Ce对5083铝合金的组织结构及耐腐蚀性能具有影响，本部分综合考虑生产成本，及实际连铸生产中的可持续性能，将5083铝合金的成分设计如表1所示。
表1试验添加稀土元素Ce的5083铝合金的化学成分(质量分数，％)
1.1.2研究路线
研究路线如图1和图2所示。
图2中，(1)熔炼浇铸：在熔炼加热设备选用额定功率为75kg井式电阻炉，最高工作温度为 1600℃，熔化时间小于60min。熔炼使用99.99％高纯石墨带盖坩埚，外径100×高130mm容量600 ml。浇铸铝锭使用外径100mm×高100mm容量450ml的高纯石墨坩埚。可熔炼直径80mm×高70mm 的铝锭。
(2)均匀化处理：加热设备选用一体式实验室箱式电阻炉，额定功率为3KV，最高工作温度为 1300℃。将熔炼完成的铝锭升温至465℃，保温20h，炉冷至室温取出。
(3)轧制处理：采用Ф450双轧辊热轧机，轧制前将铸锭预热至510℃保温2h后热轧到厚度5.5 mm的厚板，然后控制轧制温度在150℃～350℃之间，温轧到3.1mm的成品厚度。具体的压下工艺参数为：铸锭－38mm-30.2mm-26.1mm-22.3mm-19.9mm-16.2mm-13mm-10.5mm-8.4mm-5.5mm-4.6mm -3.9mm-3.52mm-3.1mm。
(4)再结晶退火：加热设备选用实验室箱式电阻炉，额定功率为3KV，最高工作温度为1300℃。将轧制完成的3.1mm铝板分别按以下工艺进行再结晶退火研究。
①升温至360℃，保温24h，炉冷至室温取出。
②升温至410℃，保温24h，炉冷至室温取出。
③升温至460℃，保温24h，炉冷至室温取出。
(5)去应力退火：加热设备选用实验室箱式电阻炉，额定功率为3KV，最高工作温度为1300℃。将轧制完成的3.1mm铝板升温至200℃，保温2h，炉冷至室温取出。
第二部分试验方法
2.1金相组织、力学性能及耐腐蚀性能的实验试样检测和设备
2.1.1金相组织试样检测及试验所用设备
(1)合金金相组织的检测
经均匀化处理后的铸锭、轧制后的3.1mm铝板经去应力退火处理及再结晶退火处理后需要做金相组织检测。铸锭按图3-1取样，轧制后的3.1mm板材沿轧制方向的垂直方向取样。用320目砂纸先将试样打磨平整，然后分别使用600目、1000目、2000目砂纸打磨试样。因为铝合金材质较软，在打磨试样时将砂纸表面清洗干净，确保没有其他硬质颗粒。使用机械可调速抛光机进行抛光，抛光膏使用0.15至0.05粒度，当在金相显微镜上基本上看不到划痕时停止抛光。超声波清洗试样后，使用金相腐蚀剂15.5ml HNO3+0.5ml HF+3g CrO3+84ml H2O，使用滴定法腐蚀金相，腐蚀时间为22min左右。腐蚀完成后，使用自来水将试样上的腐蚀液冲洗干净，再使用蒸馏水做进一步的清洗，最后用酒精对腐蚀面做进一步的冲洗，沿腐蚀面相切方向吹风将试样充分干燥。微观金相组织结构照片使用蔡司光学显微镜拍摄，拍摄倍数为100倍和200倍的金相照片作为分析使用。实验设备：蔡司光学显微镜(OM)。
(2)拉伸试样的断口形貌照片制备及设备
试样制备：首先将拉伸实验及慢应变速率应力腐蚀实验完成后的固定一侧试样锯切成适合扫描电镜样品台尺寸，试样断口对面的平面需要进行打磨平整处理，使在扫描电镜样品台试样能够良好的导电。用超声波清洗机清洗试样，使用吹风机的冷风模式吹干，使用场发射扫描电镜观察断口微观组织形貌。试验设备：场发射扫描电镜，型号：FEI QUANTA650，点分辨率为1.3nm，工作电压15kV，工作电流6μA。
(3)EDS能谱试样制备及试验设备
试样制备：将做完金相测试后试样和模拟海水浸泡实验的试样锯切成适合扫描电镜(带EDS能谱) 样品台尺寸，试样断口对面的平面需要进行打磨平整处理，使在扫描电镜样品台试样能够良好的导电。用超声波清洗机清洗试样，使用吹风机的冷风模式吹干，使用场发射扫描电镜(带EDS能谱)测试夹杂物及腐蚀产物的成分。试验设备：场发射扫描电镜(带EDS能谱)，型号：FEI QUANTA 650。
2.1.2性能试样制备及试验设备
(1)拉伸试样制备及试验设备
试样制备：将试样加工成万能试验机标准拉伸试样尺寸，然后使用600目砂纸将试样表面的氧化皮打磨至光亮，并将试样清洗干净后使用电吹风机吹干。标记拉伸试样受力部位，每格长度尺寸为2 mm，总标注长度为50mm，实验结束后计算材料的延伸率需要用到该标记尺寸。测量试样宽度及厚度数据做好记录，使用电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸位移速度的实验参数选择2mm·min-1，总拉伸力参数选择为20kN，测量各个试样的抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)，并测量受力部位的长度计算试样延伸率(At)。试验设备：微机控制电子万能试验机，型号：SHT–4605。
(2)布氏硬度试样制备及试验设备
试样制备：将热处理后的试样用600目砂纸打磨平整，然后进行抛光至表面光亮。使用布氏硬度计进行测试，选用直径2.5mm的压头，对试样的5个不同部位测量硬度数据，取中间的三个数据并计算平均值作为该试样的硬度值，单位为HWB。试验设备：数显布氏硬度计，型号：220HBS-3000。
(3)电化学试样制备及试验设备
试样制备：试样尺寸：13mm×13mm×3mm，首先对试样进行打磨抛光，然后使用超声波清洗机对试样进行深度清洗，使用吹干机冷风吹干后，在3.5％NaCl溶液中浸泡1h，然后进行电化学测试。试验设备：电化学工作站，型号：CHI 660C(上海辰华)。
(4)晶间腐蚀试样制备及试验设备
试样制备：按GB/T7998—2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)制备试样，试样尺寸：40mm×30mm ×3mm。实验设备：恒温实验水箱；蔡司光学显微镜(OM)。
(5)模拟海水浸泡腐蚀试样制备及试验设备
试样制备：试样尺寸：40mm×30mm×3mm。使用水磨砂纸逐级打磨试样至1000#，使用蒸馏水清洗试样，然后酒精擦拭干净，在烘干箱内静置24h后对试样进行称重(精确至0.0001g)，然后放置于干燥皿中准备实验。实验设备：烘干箱；恒温实验水箱；天平；相机；扫描电镜。
(6)慢应变速率应力腐蚀试样制备及试验设备
试样制备：慢应变速率应力腐蚀拉伸试样尺寸如图6-7b所示，经去应力退火处理。实验设备：慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机，型号：MFDL 100。场发射扫描电镜，型号：FEIQUANTA 650。
第三部分含稀土元素5083铝合金铸锭熔铸工艺研究
铝合金的熔炼是将固体炉料在加热炉的容器中进行熔化，最终熔为液体的过程。在熔炼过程中，要完成金属的熔化、对合金成分的调整、温度的控制、熔液的净化等熔炼工序。选择正确的熔炼工艺和操作，目的是减少铸锭产生夹渣、气孔、疏松等熔炼缺陷，最终熔炼出微观组织符合要求，合金成分达到设计目标的铸锭。本部分采用工业用5083铝板为原料，通过添加30wt％Ce含量的Al-Ce中间合金，熔炼Ce含量为0-250ppm的5083铝合金，探索稀土铝合金的熔炼工艺，也为后续的轧制实验准备组织及合金成分合格的铝合金铸锭。
3.1含稀土5083铝合金铸锭熔炼方案
3.1.1熔炼材料
熔炼实验使用河南明泰铝业股份有限公司生产的3mm厚的5083铝合金板材，表2为此次实验用的5083铝合金化学成分数据。根据熔炼使用的高纯石墨坩埚尺寸，裁剪成55mm×55mm铝板。添加的稀土元素Ce为赣州飞腾轻合金有限公司生产的Ce含量为30wt％的Al-Ce合金。
表2 5083铝合金化学成分(质量分数/％)
3.1.2熔炼过程
5083铝合金添加稀土元素铈的熔炼过程如图3-1所示。
(1)配料：完全使用5083铝合金板材投料，稀土元素Ce以Ce含量为30％的Al-Ce中间合金形式加入。首先熔炼一炉Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭，后续熔炼的0-250ppmCe含量的 5083铝合金铸锭，以Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭为添加稀土元素Ce的中间合金加入，以便于对Ce含量的精准控制。
(2)熔炼工艺：在石墨坩埚中加入裁剪好的55mm×55mm的5083铝板，然后将石墨坩埚放入井式电阻炉熔炼炉中加热熔化，以15℃/min的速率升温至780℃，熔炼时间为52min，待铝板完全熔化后加入Al-Ce中间合金熔炼15min后在表面覆盖一层2号溶剂，得到铝合金原料液。待炉温稳定到设定的780℃后保温0.5小时，保温结束对熔液进行充分机械搅拌0.5min，以保证熔体内稀土元素铈能够均匀分布。待炉温稳定到780℃后再保温0.25小时，然后进行下一步工序。2号溶剂为鹤壁太行科技有限公司生产的RJ-2，2号溶剂的加入量为稀土铝合金原料液重量的0.6wt％。Al-Ce中间合金的制备方法为：以Ce的质量分数为30％的Al-30％Ce合金和标准5083铝合金为原料，熔炼得到Ce含量为6000ppm的Al-Ce中间合金。
(3)铸造及铸锭均匀化热处理：浇铸前将用于浇铸的石墨坩埚先预热200℃保温0.25小时取出，对熔炼完成的熔体表面的固体炉渣进行充分的扒渣清理，然后倒入预热好的石墨坩埚进行浇铸，待熔体完全凝固后将铝锭从浇铸的石墨坩埚中取出。待铸锭冷却到室温后对铸锭进行均匀化热处理，将铸锭加热到接近熔点的温度，在该温度下在炉内进行长时间的保温，目的是使化学成分和微观组织趋于均匀分布，使铸锭的塑性变形能力得到有效的提高。均匀化热处理温度为460℃，保温20小时，炉内冷却至室温取出。
(4)铸锭检测：将铸锭的底部及冒口的缺陷部位锯切清除，选择铸锭底端取厚度35mm的试样，再沿厚度方向将试样锯切分开，取一半进行成分及组织检测。铸锭试样的取样位置如图3-2所示。
3.2含稀土元素5083铝合金铸锭质量分析
3.2.1含稀土元素5083铝合金铸锭的Ce含量检测
按照图3-2所示，取样的位置次序是从中心部位向边部切取试样，用来分析5083铝合金添加稀土元素Ce熔炼后Ce含量偏析的程度，检测的6种5083铝合金铸锭Ce含量如表3所示(由于是使用同一张5083铝板做的熔炼，熔炼设备及工艺参数完全一样，只是添加的稀土元素Ce含量有差异，分析时只检测了稀土元素Ce的含量)。
表3 5083铝合金铸锭不同部位的Ce含量(质量分数/％)分析结果
注：(1)1、2、3为图3-2中所示的试样取样位置；(2)△max为铈含量的最大差值。
1#至5#铸锭是使用同样的井式电阻炉和高纯石墨坩埚熔炼的，熔炼的工艺及相关参数完全一样，成分测试时对1#至5#铸锭在如图3-2的1、2、3位置取样，测试稀土元素Ce含量。1#至5#铸锭Ce 含量测试结果达到实验设计的预期目标值。
3.2.2含稀土元素5083铝合金铸锭的外观质量检测
铸锭的表面外观如图3-3所示，可以看出表面外观质量良好，铸锭表面偏析不严重。
3.2.3含稀土元素5083铝合金铸锭金相组织
按照图3-2所示切取低倍组织试样，并进行了低倍组织缺陷的检查，未发现有疏松、气孔、夹杂物和比较粗大的金属间化合物等熔炼铸造缺陷。铸锭低倍组织检查如图3-4所示。
1#,2#,3#,4#,5#铸锭经均匀化处理后的高倍组织照片如图3-5a至图3-5o所示，按照图3-2所示取样位置，从铸锭中心到边部，其枝晶间距有变大趋势，枝晶网络逐渐变薄，晶粒逐渐变小，符合5083铝合金熔炼浇铸过程的结晶规律。5#铸锭没有添加稀土元素铈，晶界较其他没有添加稀土元素的铸锭较为明显。在添加稀土元素的1#至4#铸锭中，1#铸锭晶粒较为细小均匀，且随着稀土元素铈含量的减少，晶粒变得较为粗大。
3.3含稀土元素5083铝合金铸锭熔铸工艺的分析与讨论
稀土与氢有较大的亲和力，吸附和溶解氢形成稳定的化合物，不形成气泡；与氮生成难熔化合物，通过除渣排除净化铝液。稀土元素在铝合金中的形成分布较为分散的小颗粒铝化合物，该化合物作为异质晶核起到细化晶粒的作用，随着稀土元素Ce的增多，铸态晶粒明显细化，晶界析出物较为明显。稀土元素可以较少熔炼时铝液中的氢含量，降低针孔率和孔隙率，减少夹杂物及有害元素。针对5083 铝合金铸锭在熔炼过程过有一定的疏松、成分偏析及凝固过程拉裂等倾向的缺陷特点，实验中采取一定的措施来减少或者避免熔铸缺陷。
3.3.1化学成分的控制
(1)稀土元素Ce的控制
该实验使用5083铝合金板材熔炼后添加一定量的稀土元素Ce，熔炼稀土铝合金，因此控制稀土元素Ce的成分达到实验的目标值是该熔炼实验的关键控制点。针对稀土元素特殊的物理化学性质，以及具体的实验设备状况，熔炼时选用Ce含量为30％的Al-Ce中间合金形式加入，首先熔炼一炉Ce 含量为0.60％的5083铝合金铸锭，后续熔炼的0–250ppm Ce含量的5083铝合金铸锭，以Ce含量为0.60％的5083铝合金铸锭为添加稀土元素Ce的中间合金加入。目的是增加Al-Ce中间合金的加入量，同时减少加入Al-Ce中间合金时因为氧化原因及稀土元素Ce与合金中Na等其它杂质及合金元素反应生成炉渣，造成了稀土元素Ce的烧损，增加了控制稀土元素Ce含量的难度。
针对该熔炼实验的特点，熔炼时首先将5083铝板在高纯石墨坩埚中完全熔化，然后加入Ce含量为0.60％的Al-Ce中间合金。目的是使Al-Ce中间合金瞬间沉入熔液中并快速熔化，减少与炉内气氛的接触时间，较大程度上较少稀土元素Ce的烧损，以便于实现对稀土元素Ce含量的精准控制。待熔液完全达到设定熔炼温度后对溶液进行充分的机械搅拌，以减少浇铸后铸锭的成分偏析，并达到细化晶粒的作用。
(2)杂质元素Na的控制
Na的熔点低(97.8℃)，并且是活性元素，在液态或者固态的铝中都不溶解，以单质态存在的游离Na引起“Na脆性”，微量的Na损害铝合金的热变形性能。铝合金熔体凝固时游离的Na往往被排斥在枝晶表面，凝固后分布在枝晶的边界，使晶间联系大大减弱，在熔炼浇铸和热加工过程中容易产生裂纹，主要由于应力的集中造成的。5083铝合金的Mg含量较高，当合金中含有Na时，发生化学反应产生游离金属Na，很容易具有Na脆性倾向。5083铝合金消除Na脆性的方法是在原材料上严格控制Na含量到非常低的水平(w(Na)＜10-6)，使用不含Na而主要成分为MgCl2、KCl的二号溶剂，选用含有氯气的气体作为炉内气氛，使游离态的Na生成NaCl炉渣得以排出。
3.4.2保护熔体阻止氧化
5083铝合金Mg含量较高，因为Mg的氧化性大，在熔体表面生成的氧化膜不够致密，并且疏松多孔，致使氧化反应向熔体深度处进行，造成铸锭表面发黑、内部夹渣和疏松等浇铸缺陷，铸锭的氧化夹渣还能因为应力的集中导致铸锭产生裂纹缺陷。
3.4.3控制铸造速度
当提高铸造速度时，液穴会变深，促使铸锭的中心裂纹倾向变大；当以很高的铸造速度浇铸时，结晶壳变薄，过渡带的尺寸加大，脆性区的几何尺寸也随之变大，表面出现裂纹的倾向升高；当铸造速度过低时，容易造成铸锭凝固过程出现冷隔，当冷隔非常严重的时候，可能在冷隔处产生与铸锭浇铸方向垂直的横向裂纹。因此根据铸锭的形状及尺寸，选择适合浇铸速度对改善铸锭质量，减少铸锭内部缺陷具有非常重要的作用。本实验浇铸￠80×70铝锭，浇铸时间控制在6-8秒钟。
3.4.4控制有效结晶区的高度
铸锭的中心裂纹、表面裂纹、疏松和拉裂缺陷与有效结晶区的大小密切相关。减小有效结晶区，上部熔体具有较高的温度，熔体的流动性很好，因而有利于非金属夹杂物及熔体内部的气体上浮，这样最后铸锭的疏松倾向就比较小。减小有效结晶区，使液穴底部位置相对下移，铸锭的中心裂纹倾向变大。减小有效结晶区，二次加热铸锭的程度也较小，铸锭完全凝固后表面不易产生裂纹。减小有效结晶区，有利于减少拉锭阻力，铸锭凝固过程不易被拉裂。本实验5083铝锭浇铸前，将浇铸模石墨坩埚加热至200℃，可有效控制铸锭的有效结晶区。
3.5本部分小结
本部分对不同稀土元素Ce含量的5083铝合金的熔炼浇铸过程进行了研究：控制5083铝合金中稀土元素Ce的含量，先熔炼一炉Ce含量为0.60％的5083铝合金铸锭，后续熔炼的0ppm、62ppm、 120ppm、150ppm、250ppm Ce含量的5083铝合金铸锭，均以Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭为添加稀土元素Ce的中间合金加入，减小了对5083铝合金中稀土元素Ce的含量的精准控制难度。控制5083铝合金中的Na含量到非常低的水平(w(Na)＜10-6)，使用不含Na而主要成分为MgCl2、 KCl的二号溶剂，选用含有氯气的气体作为炉内气氛，使游离态的Na生成NaCl炉渣得以排出。根据铸锭的形状及尺寸，选择适合浇铸速度来改善铸锭质量，减少铸锭内部缺陷。本实验浇铸￠80×70 铝锭，浇铸时间控制在6-8秒钟。在5083铝锭浇铸前，将浇铸模石墨坩埚预热至200℃，有效控制铸锭的有效结晶区，减少铸锭的中心裂纹、表面裂纹、疏松和拉裂等熔铸缺陷。
第四部分含稀土元素5083铝合金轧板工艺研究
从坯料的供应方式上区分，铝合金的轧制方法分为铸锭轧制法、连续铸轧法、连铸连轧法。本实验采用铸锭轧制法，将熔炼浇铸后的不同稀土元素Ce含量的5083铝合金铸锭轧制成3.1mm厚的铝板，以供后续热处理后对组织及性能的研究使用。根据轧制温度的高低，铸锭的轧制可分为热轧和冷轧。在金属的再结晶温度以上进行的轧制为热轧，热轧利用金属在高温下具有良好塑性的特点，生产效率高。在金属的再结晶温度以下进行轧制为冷轧，冷轧后金属的强度增高塑性降低，产生加工硬化。
4.1试验方案
4.1.1轧制实验方案
5083铝合金薄板通过控制形变工艺和热处理工艺可以实现有效地细化晶粒，使合金的晶粒组织分布均匀，细晶薄板具有超塑性性能。本试验用添加稀土元素铈的5种5083铝合金铝锭成分见表2 及表3。铝锭规格及形状见图4-1，在轧制前铸锭经过均匀化热处理，热处理工艺参数为加热温度465 ℃，保温24小时。表面经过机加后处理，然后轧制成3.1mm厚的薄板，具体轧制实验方案如下。
将铸锭预热至510℃保温2h后热轧到厚度5.5mm的厚板，然后控制轧制温度在150℃～350℃之间，温轧到3.1mm的成品厚度，温轧的总变形率大致为43.6％。
4.1.2轧制压下工艺
5083铝合金铸锭在450℃～480℃时具有最低的抗拉强度，铸态的铸锭塑性最好，热加工性能也最好。铸锭的温度与热加工性能的提高具有正比例关系，当开轧温度在450℃～480℃时，可有效避免热轧裂变缺陷的产生。针对5083铝合金铸锭高温塑性较低的特点，轧制初期几个道次使用小的道次压下量，而在轧制中期加大道次压下量，使轧件迅速越过轧制过程的易碎区。如果在轧制初期就使用比较大的道次压下量，在轧件的表面和边部很容易产生裂纹。本实验的轧制压下工艺如表4所示。
表4 实验的5083铝合金铸锭压下工艺
铸锭序号 压下工艺(mm)
1#
2#
3# 38-30.2-26.1-22.3-19.9-16.2-13-10.5-8.4-5.5-4.6-3.9-3.52-3.1
4#
5#
根据该实验5083铸锭压下工艺，绘制出压下道次与轧件厚度的关系曲线，如图4-2所示。同时绘制出压下道次与压下量的关系曲线，如图4-3所示。根据该实验铸锭的形状特征，前几个道次选择大压下量，当铸锭完全轧制成扁锭后的几个道次选择较小的压下量，中间几个道次压下量较大，目的是使轧件迅速越过轧制过程的易碎区。待板材轧制到厚度5.5mm以后，使用温轧区温度150℃～350 ℃进行轧制，选择较小的压下量的压下工艺。
4.2含稀土元素5083铝合金轧件裂边的原因及预防措施
5083铝合金铸锭高温塑性较低，轧制过程中轧件边部开裂是常见的轧制缺陷，如图4-4所示。以下就轧件边部开裂的原因及预防措施进行分析。
4.2.1轧件裂边的原因
5083铝合金轧件裂边主要由以下原因造成。
(1)铸锭中Na的含量过高。5083铝合金中含有较高的Mg含量，作为杂质元素的Na会降低合金的热变形性能，出现钠脆性。Na的熔点低并且其在铝中的溶解度也很低，Na在5083铝合金中主要存在于枝晶表面或晶界，状态是以游离态存在。当铸锭在预热以及后续的热轧过程中，游离态的Na 聚集在晶界上形成不连续的球状质点，存在形式是熔融态，导致Na的汇聚点成为产生应力集中裂纹源。当Na含量的达到一定量之后，裂纹源形成更大的应力集中，当铸锭轧制过程中的附加拉应力比裂纹扩展的临界应力大的时候，轧件就会从边部产生开裂。
(2)铸锭存在内部组织疏松缺陷。铸锭中的疏松缺陷，热轧的时候部分疏松缺陷被焊合，但是仍有很多的疏松缺陷不能够被焊合。存在的疏松缺陷使金属的高温塑性降低，裂纹源为不能被焊合的疏松缺陷，当增加轧制变形量的时候，轧件在附加拉应力的作用下，两侧边部的裂纹向内扩展，形成比较大的裂孔，使轧件边部最终产生开裂。因为该轧制实验使用的铸锭未发现明显的熔炼铸造缺陷，对轧件裂边影响较小。
(3)轧制前的预热不到位，开轧温度低易产生热轧裂边。5083铝合金铸锭在450℃～480℃时抗拉强度最低，其铸态塑性最好，热轧一般选在该温度区间进行。热轧开轧温度低于该区间温度时容易产生裂边，而在450℃～480℃开始轧制产生热轧裂边缺陷的机率较小。
(4)轧制初期道次要使用较小的加工率，初期的加功率过大易产生边部开裂。5083铝合金铸锭在高温状态下塑性较低，为了避免产生表面裂纹和边部裂纹，轧制初期不能使用较大的道次压下量，轧制中期为了使轧件以较快的迅速跨过易碎区，应在轧制中期使用大的道次压下量。
4.2.2轧件裂边的预防措施
减少或者避免轧件裂边发生的措施如表5所示。
表5减少或者避免轧件裂边发生的措施
4.3本部分小结
本部分主要对添加稀土元素Ce的5种5083铝合金铸锭的轧板工艺进行了研究：
(1)5083铝合金铸锭的开轧温度应控制在450℃～480℃，该温度区间内铸锭的抗拉强度最低，其铸态塑性最好。热轧一般选在该温度区间开始轧制产生热轧裂边缺陷的机率较小。
(2)5083铝合金铸锭使用近似于梯形的横断面的铸锭，在热轧工序使用立辊辊边轧制热轧板带，轧制后的轧件边部质量很好，基本无裂边现象。
(3)控制铸锭的Na含量低于5ppm，可有效防止因Na含量过多产生钠脆性，而进一步引起的热轧过程的裂边缺陷。
(4)应控制轧制初期几个道次加工率不应过大，而轧制中期应使用较大的道次加工率迅速跨过易碎区，可避免产生热轧裂边。
第五部分含稀土元素5083铝合金热处理工艺研究
在一定介质或者空气中，将金属材料加热到一定温度，在此温度做一定时间的保温，再在空气、水或者某种特定的冷却介质中冷却到室温，达到改变材料组织和性能的目的，这种金属材料处理方法称为热处理。5083铝合金属于不可以通过热处理强化的铝合金。本实验对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金铸锭的均匀化处理、添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材去应力退火处理、添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材的再结晶处理分别进行研究，对研究稀土元素在5083 铝合金中的应用具有一定的指导意义。
5.1含稀土元素5083铝合金铸锭的均匀化处理
由于添加合金元素以及Fe和Si等杂质元素的存在，使添加稀土元素的5083铝合金在凝固时形成大量的Al3Mg2，Mg2Si，Al6Mn等非平衡金属间化合物，这些粗大金属间化合物和非平衡共晶相，对合金的后续变形加工产生严重影响，并且不利于合金的综合性能。通过均匀化热处理可以较好的消除铸锭组织中的残留相、晶间偏析和一次析出相，使基体中合金元素在的固溶度得到提高，并且使铸锭的热塑性得到改善，使合金的综合性能有效提高。
5.1.1均匀化处理实验
将熔炼完成5种不同稀土含量的铸锭整体进行均匀化处理，铸锭的化学成分见表2和表3所示，铸锭试样尺寸为￠80mm×70mm。均匀化实验在箱式热处理炉中进行，均匀化处理后炉冷至室温，均匀化处理温度465℃，保温时间为20h，加热速度为5℃/min。均匀化处理过程中，由可编程程序温控仪精确控制温度，温度偏差为±2℃。采用蔡司光学显微镜观察、分析试样在不同倍数下的组织形貌。金相试样采用试剂(15.5ml HNO3+0.5ml HF+3g CrO3+84ml H2O)浸蚀。
5.1.2均匀化状态显微组织分析
图3-5a至图3-5o所示为添加稀土元素的5种铸锭均匀化处理后不同部位的显微组织。由图3-5a 至图3-5o可见：合金均匀化处理后α(Al)相呈等轴状分布，改第二相β(Al3Mg2)相回溶较为充分，只残留少量未溶第二相，合金均匀化效果得到显著改善。按照图3-2所示取样位置，从铸锭中心到边部，其枝晶间距有变大趋势，枝晶网络逐渐变薄，晶粒逐渐变小。5#铸锭没有添加稀土元素Ce，晶界较其他没有添加稀土元素的铸锭较为明显。在添加稀土元素的1#至4#铸锭中，1#铸锭晶粒较为细小均匀，且随着稀土元素铈含量的减少，晶粒变得较为粗大。
5.1.3均匀化处理分析
5083铝合金含有多种合金元素，在铸锭浇铸的凝固过程中易形成非平衡金属间相，原子扩散动力学是这些非平衡金属间相的消除的决定因素。合金均匀化热处理温度和时间基本上由平衡扩散系数、扩散激活能和枝晶间距等因素决定。当枝晶尺寸和温度条件相同的时候，合金元素扩散越快，均匀化处理的时间越短。铸态合金中的非平衡共晶相固溶是否充分是衡量均匀化处理效果的关键因素。
添加稀土元素后5083铝合金铸锭经均匀化处理后，回溶了非平衡共晶组织，同时有大量弥散分布的β(Al3Mg2)相等相粒子析出，合金元素扩散与合金中的非平衡共晶相的回溶效果成正比。
5.1.4均匀化处理结论
(1)根据铸锭均匀化处理实验显微组织检测结果，添加稀土元素的5083合金铸锭经均匀化处理 (465℃+24h)后，较好的消除了晶内偏析，微观组织分布均匀。
(2)铸锭经均匀化处理后(465℃+20h)，未添加稀土元素Ce的5#铸锭微观组织晶界较为明显。添加稀土元素Ce含量为60–250ppm的1#至4#铸锭，随着稀土元素Ce含量的减少，晶粒变得较为粗大，添加稀土元素Ce对5083铝合金的铸态组织具有一定的晶粒细化作用。
5.2含稀土元素5083铝合金板材的去应力退火处理
去应力退火是将塑性变形工件或者焊接件等合金在较低的加热温度下加热，并且保温一定时间，再以较慢的冷却速度冷却的一种热处理工艺。塑性变形工件或者焊接件等因为成形加工，往往附带较大的残余内应力，降低了合金的组织及综合性能，而且使合金的抗应力腐蚀性能也降低，需要增加去应力退火工序。加热温度是影响去应力退火质量的主要因素。选择较高的加热温度，会较大的降低工件的硬度和强度；选择较低的加热温度，需要通过延长保温时间，才能实现较好的内应力消除效果，严重降低生产效率。本实验以添加不同含量的稀土元素的5083铝合金板材为对象，研究了去应力退火处理对该合金显微组织及性能的影响，为稀土元素在5083铝合金板材上的应用提供理论借鉴。
5.2.1去应力退火试验材料与方法
(1)实验材料。实验材料为添加稀土元素的经热轧和温轧的5083铝合金板材，厚度为3.1mm。分别沿板材轧制方向的平行方向宽度的1/4位置取样，1#至5#试样的化学成分见表2和表3所示。去应力退火实验在箱式热处理炉中进行，去应力退火处理后炉冷至室温，去应力退火处理温度200℃，保温时间为2h，加热速度为5℃/min。去应力退火处理过程中，由可编程程序温控仪精确控制温度，温度偏差为±2℃。
(2)实验方法。按照GB/T 228-2010标准分别制备1#至5#拉伸试样，检测其力学性能设备使用 CMT 5305材料试验机。硬度检测使用布氏硬度计，型号：BLD–300TS。分别制备1#-5#金相试样，金相试样沿轧制方向的横向锯切小块试样，试样研磨分别使用600、800、1000、1200、2000目砂纸进行研磨，然后在抛光机上进行抛光，金相试样的浸蚀试剂采用(15.5ml HNO3+0.5ml HF+3g CrO3 +84ml H2O)浸蚀，冲洗干净后使用吹风机的冷风吹干，然后在蔡司光学显微镜下进行金相照片观察拍摄。拉伸试样断口形貌扫描使用场发射扫描电镜观察断口微观组织形貌，设备型号：FEI QUANTA 650。
5.2.2去应力退火试验结果
(1)力学性能。添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材经去应力退火处理后，随炉冷却至室温，使用材料试验机分别检测其力学性能，结果如表6及图5-1所示。
表6添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材经去应力退火后的力学性能
由表6及图5-1可以看出，去应力退火处理试样1#、4#的强度高于稀土含量为150ppm的2# 试样和稀土含量120ppm的3#试样，而2#试样、3#试样的断后伸长率(A)略高于1#、4#试样。添加稀土元素量最高(250ppm)的1#试样的断后伸长率(A)最低，A为17％。
(2)硬度。添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材经去应力退火处理后，随炉冷却至室温，使用布氏硬度计分别检测其表面硬度，结果如表7所示。
表7为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材去应力退火后的表面硬度。由表7可以看出，表面硬度与合金中稀土元素Ce的含量有关，随稀土含量的减少而降低，1#试样稀土含量为250ppm，表面硬度为104.2HWB，而稀土元素含量为62ppm的4#试样的表面硬度最低，为98.4HWB。
表7添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材经去应力退火后的表面硬度
(3)显微组织。图5-2a至图5-2e为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材去应力退火后的显微组织。观察图5-2a至图5-2e可知，5083铝合金去应力退火后的组织主要由树枝状α(Al)相和枝晶间非平衡相组成，α(Al)相为基体，基本上呈等轴状分布，有较多的过剩相分布枝晶网格上。 1#至4#为添加稀土元素的试样，5#试样稀土含量为0，由图5-1可见稀土元素含量为250ppm 时，能够起到较为明显的晶粒细化作用。图5-3a至图5-3d为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材去应力退火后的拉伸试样断口中部位置的形貌扫描图片。观察图5-3a至图5-3d可知，铝合金为面心立方结构，添加不同含量稀土元素的1#至4#断口均为穿晶断裂，1#拉伸试样和4#拉伸试样韧窝数量较多，并且韧窝的深度较深一些，与表6所测试的力学性能强度值基本一致。
5.2.3去应力退火分析与讨论
在去应力退火过程中，温度升高，增加了原子的活动能力，减少了晶格中的缺陷数量。去应力退火过程发生位错的攀移和滑移，形成位错壁，产生小亚晶块晶界，降低了晶格的扭曲能量。去应力退火使晶格弹性畸变能降低，减少了金属成形件的内应力，使成形件的尺寸稳定，增加了抗应力腐蚀性能，同时保留原来的加工硬化效果，成形件的硬度、强度不降低。
1#至4#试样为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材，1#试样稀土含量(250ppm)最高， 4#试样稀土含量(62ppm)最低，稀土元素与合金中的其他元素形成很多新相，而大多数新相均出现粒子化、球化和细化的特征。与布氏硬度测试结果，硬度值随着稀土含量的增加呈增加趋势相一致。材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等因素影响金属材料的综合力学性能，1#和4#试样的强度较好，断后伸长率(A)略低于2#和3#试样。
5.2.4去应力退火结论
(1)添加不同含量稀土元素Ce(60–250ppm)的5083铝合金板材，经去应力退火处理后对屈服强度、抗拉强度及断后伸长率的力学性能影响不大，表现为1#、4#试样的强度略高于2#、3# 试样，而1#、4#试样的断后伸长率(A)低于2#试样、3#试样。
(2)添加不同含量稀土元素Ce的5083铝合金板材，经去应力退火处理后试样表面硬度与合金中稀土元素Ce的含量有关，表面硬度随稀土Ce含量的减少而降低。
(3)添加不同含量稀土元素Ce的5083铝合金板材，经去应力退火处理后试样微观组织随稀土 Ce含量的增加起到一定的晶粒细化作用。
5.3含稀土元素5083铝合金板材的再结晶处理
再结晶退火的机理是以回复和再结晶现象为基础，在再结晶温度以上加热工件，经过一定保温时间，再以缓慢的冷却速度冷却工件的工艺过程。细化晶粒、消除内应力、降低合金的硬度、提高合金的塑性变形能力是进行过再结晶退火的目的。5083铝合金属于不能热处理强化的合金，再结晶处理的冷速大小对合金材料的性能影响很小。但是对于能够热处理强化的合金，冷却速度大小对合金材料的性能影响较大，需要缓慢冷却。本实验以添加不同含量的稀土元素的5083铝合金板材为对象，研究再结晶退火处理对该合金显微组织的影响，为稀土元素在5083铝合金板材上的应用提供理论基础。
5.3.1再结晶退火试验材料与方法
(1)实验材料。实验材料为添加稀土元素的经热轧和温轧的5083铝合金板材，厚度为3.1mm。分别沿板材轧制方向的平行方向宽度的1/4位置取样，1#至4#试样的化学成分见表2和表3所示。再结晶退火实验在箱式热处理炉中进行，加热速度为5℃/min，由可编程程序温控仪精确控制温度，温度偏差为±2℃，再结晶退火处理后炉冷至室温。实验方案如表8所示。
表8添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材再结晶退火试验方案
(2)实验方法。分别制备1#、2#、3#、4#金相试样，金相试样沿轧制方向的横向锯切小块试样，试样研磨分别使用600、800、1000、1200、2000砂纸进行研磨，然后在机械抛光机上进行抛光，金相试样的浸蚀试剂采用(15.5ml HNO3+0.5ml HF+3g CrO3+84ml H2O)浸蚀，冲洗干净后使用吹风机的冷风吹干，然后在蔡司光学显微镜下进行金相照片观察拍摄。使用场发射扫描电镜(带 EDS能谱)分析1#试样的在310℃×24h再结晶退火制度下的夹杂物成分，设备型号：FEI QUANTA 650。
5.3.2再结晶退火的实验结果
(1)显微组织分析。图5-4a至图5-4d为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材1#至4# 试样再结晶退火后的显微组织。观察图5-4a至图5-4d可知，5083铝合金经310℃保温24小时再结晶退火后，晶粒明显开始出现再结晶长大的趋势，晶粒仍然呈轧制加工后的长条状，组织主要由树枝状α(Al)相和枝晶间非平衡相组成，α(Al)相为基体，有较多的过剩相分布枝晶网格上。1#试样晶粒度最小，整体上晶粒尺寸随稀土含量的增加而减小。
图5-5a至图5-5d为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材1#至4#试样经410℃再结晶退火后的显微组织。观察图5-5a至图5-5d可知，5083铝合金经410℃保温24小时再结晶退火后，晶粒明显开始再结晶的过程，出现部分等轴状晶粒，组织主要由树枝状α(Al)相和枝晶间非平衡相组成，α(Al)相为基体，有部分的过剩相分布枝晶网格上。1#、2#试样晶粒度较小，整体上晶粒尺寸随稀土含量的减少而增加。
图5-6a至图5-6d为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材1#至4#试样经460℃再结晶退火后的显微组织。观察图5-6a至图5-6d可知，5083铝合金经460℃保温24小时再结晶退火后，晶粒基本上完全再结晶，晶粒为等轴状，组织主要由树枝状α(Al)相和枝晶间少量非平衡相组成，α (Al)相为基体，有少量过剩相分布枝晶网格上。1#试样晶粒度较小且分布均匀，整体上晶粒尺寸随稀土含量的减少而增加。
(2)夹杂物成分分析。使用EDS能谱对稀土元素Ce含量为250ppm的5083铝合金板材1#试样再结晶退火制度310℃×24h下的夹杂物成分分析,结果如图5-7a至图5-7b所示。可看到，两个位置夹杂物元素组成基本相同，主要有Al、Fe、Mn元素。其中，Al为基体元素，Fe和Mn是5083铝合金所添加的合金元素，它们形成复杂化合物，以夹杂物形式存在于晶界边部位置。
5.3.3再结晶退火的分析与讨论
加热速度、加热温度和保温时间使再结晶处理的三个关键因素，需要正确控制才能够获得理想的细晶粒组织。当对同一种合金进行再结晶处理时，使用高的加热温度，需要缩短保温时间，以避免合金进入聚集再结晶阶段，导致晶粒长大。使用低的加热温度，需要延长保温时间，以避免合金再结晶过程的不充分，最终达不到再结晶处理的目的。再结晶处理的生产率与保温时间密切相关，提高加热速度和加热温度，可以有效降低保温时间，有效得到细小均匀的组织的前提下提高生产率。
1#至4#试样为添加不同含量稀土元素的5083铝合金板材，1#试样稀土含量(250ppm)最高，稀土元素与合金中的其他元素形成很多新相，而大多数新相均出现粒子化、球化和细化的特征。当保温时间固定为24小时时，通过改变加热温度来研究晶粒回复再结晶与加热温度的联系，为稀土元素在5083铝合金上的应用提供理论依据。
5.3.4再结晶退火结论
(1)5083铝合金添加稀土元素经再结晶退火处理，整体随着稀土Ce含量的增加，晶粒度减小。
(2)310℃再结晶退火处理时晶粒明显开始出现再结晶长大趋势，460℃时完全再结晶，晶粒呈等轴状。(3)460℃退火处理时晶粒均匀分布，且晶粒尺寸适中，退火处理后的表面平整没有明显氧化层。(4)内部夹杂物元素组成主要有Al、Fe、Mn元素，它们形成复杂化合物，以夹杂物形式存在于晶界边部位置。(5)稀土元素具有降低铝及铝合金中氢、氧、硫含量的效果，有助于更好地清除有害杂质、细化杂质或改变其形貌，使晶粒细化并均匀分布。
5.4本部分小结
本部分主对添加稀土元素的5083铝合金板材的均匀化退火、去应力退火和再结晶退火研究。
(1)5083铝合金添加稀土元素后的铸锭经加热温度465℃，保温24h，炉冷至室温的工艺下可以很好实现均匀化处理的目的。均匀化处理后，回溶了非平衡共晶组织，同时有大量弥散分布的β (Al3Mg2)相粒子析出。
(2)5083铝合金添加稀土元素Ce后的板材，经去应力退火处理后，表面硬度随稀土含量的减少而降低，微观组织随稀土元素Ce含量的增加起到较为明显的晶粒细化作用，添加不同含量稀土元素Ce(60–250ppm)对合金的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率的力学性能影响不大，表现为1#、 4#试样的强度略高于2#、3#试样，而1#、4#试样的断后伸长率(A)低于2#试样、3#试样。
(3)5083铝合金添加稀土元素经再结晶退火处理，整体上随着稀土含量的减少，晶粒呈增大趋势。加热温度460℃保温24小时，可以达到完全再结晶，晶粒呈等轴状。
(4)稀土元素具有降低铝及铝合金中氢、氧、硫含量的效果，有助于更好地清除有害杂质、细化杂质或改变其形貌，使晶粒细化并均匀分布。
第六部分含稀土元素5083铝合金耐腐蚀性能研究
5083铝合金属于铝镁系中镁含量较高的合金，其耐腐蚀性性能良好、加工性能及焊接性能优良、低温性能好、强度适宜，其合金板材大量应用于舰船材料，用于制造船舶的船身、操作台、甲板等部位。在室温下由于5083铝合金冷轧板会发生自然时效，使材料的抗拉强度、耐腐蚀性出现不同程度下降。通过在5083铝合金中，添加适量的稀土元素Ce，能够使其金相组织均匀、细化，还可以起到降低合金中杂质的不良作用。添加稀土元素还可能产生一种稀土铝合金新的化合物，在铝合金表面形成一层致密的表面层，可以较大程度上提高5083铝合金的耐腐蚀性能。
本部分通过对比含62-250ppm稀土元素Ce的5083铝合金板材的电化学腐蚀性能、晶间腐蚀性能、模拟海水浸泡腐蚀性能和应力腐蚀性能，研究稀土元素Ce对5083铝合金防腐性能的影响规律，对提高海洋舰船用5083铝合金板材耐腐蚀性能，降低其生产成本具有重要意义。
6.1含稀土元素5083铝合金板材的电化学腐蚀性能
电化学工作站用来对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材试样的电化学腐蚀性能进行测试。电化学测量系统简称为电化学工作站，是常用的电化学教学测量和研究设备。电化学工作站广泛的应用于材料性能分析、物质的定量定性分析及生物技术等研究领域。在电池检测中电化学工作站占有非常重要的地位，它有机地结合了电化学交流阻抗分析仪、恒电位仪和恒电流仪，可以做上述三种功能的试验，同时也可以基于这三种功能进行一些程式化试验。可以检测电池的电流、电压、容量等相关参数，也可以检测交流阻抗参数，在多种状态下完成对跟踪和分析电池参数。本实验使用电化学工作站检测该合金的开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和循环极化曲线，对添加不同稀土元素 Ce含量的5083铝合金板材的电化学腐蚀性能进行研究。
6.1.1电化学腐蚀性能实验
(1)实验材料。实验材料为添加不同含量稀土元素的经热轧和温轧的5083铝合金板材，厚度为 3.1mm。分别沿板材轧制方向的平行方向宽度的3/4位置取样，试样经去应力退火处理(退火处理温度200℃，保温时间为2h)，1#至4#试样的化学成分见表2和表3所示。
(2)实验方法。电化学工作站(上海辰华：CHI 660C)检测开路电位、电化学阻抗谱、循环极化曲线。试样尺寸：13mm×13mm×3mm，首先对试样进行打磨抛光，然后使用超声波清洗机对试样进行深度清洗，使用吹干机冷风吹干后留待测试。使用电化学工作站的三电极体系对试样进行电化学测试，辅助电极使用Pt电极；参比电极使用饱和甘汞电极(SCE)；工作电极是需要进行测试的合金试样，使用3.5％NaCl作为溶液作为电化学测试介质。在3.5％NaCl溶液中浸泡需要做测试的合金试样，浸泡时间1h，循环极化曲线从阴极开始起扫，扫描电位使用OCP电位±0.5V的范围，扫描速率选用0.001V/s。
6.1.2电化学腐蚀性能实验结果
(1)开路电位(OCP)-时间曲线。图6-1a至图6-1d给出4种添加稀土元素的5083铝合金试样在3.5％NaCl溶液中其开路电位随时间变化的曲线。开路电位监测试样时间为3600s，分别分析4 种试样开路电位的测试结果，2#试样的平均开路电位为-0.745V，较4#试样的平均开路电位-0.760 V提升了15mV，即2#试样的开路电位测量值最高。所以，在5083铝合金中添加适量的(约150ppm) 稀土元素Ce，可以有效改善5083铝合金腐蚀敏感性。
(2)电化学阻抗谱。图6-2a至图6-2d给出4种添加稀土元素Ce的5083铝合金试样在3.5％ NaCl 溶液中的电化学阻抗谱Nyquist图。由图6-2a至图6-2d可知，2#稀土含量150ppm的试样容抗弧半径最大，4#稀土含量62ppm的试样容抗弧半径最小。在研究铝合金腐蚀的过程中，腐蚀产生的新界面对应着容抗弧，半径越大的容抗弧，代表着该合金具有更好的耐腐蚀性。由图6-2a至图6-2d可知，在5083铝合金中添加约150ppm的Ce能有效提高该合金钝化膜的抗腐蚀性，使铝基体的腐蚀溶解过程得到很好的抑制。
(3)循环极化曲线。图6-3a至图6-3d给出4种添加不同含量稀土元素的5083铝合金试样，在 3.5％ NaCl溶液中的电化学循环极化曲线。进行循环极化曲线测量前。先将试样在3.5％ NaCl溶液中浸泡1h，试样电化学测试时先从阴极向阳极扫，再从阳极向阴极扫，最后得到的极化曲线是两段的。使用CHI 660C电化学工作站自带的数据处理软件的数据分析功能，Ecorr、Erep、Jcorr、Jrep等参数可以从 Tafel循环极化曲线中得出，它们分别为自腐蚀电位、钝化电位、自腐蚀电流密度、保护电流密度，如表9所列的数据。自腐蚀电流密度(Jcorr)是重要参数，该参数对应着所测试的合金在自然状态下的腐蚀速率。在测量结果中2#试样的阴极极化电流密度(Jcorr)以及阳极极化电流密度(Jrep)和其它所测试的试样相比，均小于其它试样。由测量数据对比可知，在所有添加稀土元素的5083铝合金试样中，2#试样的耐腐蚀性更好。表征局部腐蚀初期发展程度的重要参数是自腐蚀电位与钝化电位的差值(Ecorr-Erep)，局部腐蚀发展程度越大钝化电位的差值(Ecorr-Erep)也越大。由表9可知，2#试样的该值(0.0696V)小于其它试样，说明相同条件下2#试样抗局部腐蚀性能更好一些。
表9添加不同含量稀土元素的5083铝合金在3.5％NaCl溶液中的循环极化曲线参数
6.1.3电化学腐蚀性能分析与讨论
由于稀土元素Ce具有较高的活性，当在5083铝合金中添加适量的Ce元素后，在位错和晶界等晶体缺陷处吸附Ce元素，使偏析现象有效，进而使因组织不均匀而产生的局部腐蚀的现象得到很好的改善。铝电极表面覆盖着的氧化膜产生了Nyquist曲线中的容抗弧，钝化膜电阻(Rp)和容抗弧的半径相关，当合金的钝化膜电阻增大时，容抗弧的半径随之增大，容抗弧的半径越大表示该合金的耐蚀性越好。自腐蚀电位(Ecorr)是一个混合电位，由阴极和阳极反应耦合得到，受到阴阳两极反应较大的影响，合金腐蚀敏感度不能使用自腐蚀电位(Ecorr)作为判断依据。
6.1.4电化学腐蚀性能结论
(1)在5083铝合金中添加适量(约150ppm)稀土元素Ce，可有效改善5083铝合金腐蚀敏感性。
(2)在5083铝合金中添加约150ppm的Ce能有效抑制铝基体的腐蚀溶解过程，提高该合金钝化膜的抗腐蚀性。
6.2含稀土元素5083铝合金板材的晶间腐蚀性能
在腐蚀环境中，沿着金属材料的晶界或紧挨着晶界，发生腐蚀并且不断延伸到晶界内部的局部腐蚀破坏形式，称为晶间腐蚀。晶间腐蚀在微观上表现为沿着晶界向金属内部发展，导致金属材料晶粒间的结合力丧失，从而使金属材料的强度严重下降。本实验对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材的晶间腐蚀性能进行研究。
6.2.1晶间腐蚀性能实验
(1)实验材料。实验材料为添加不同含量稀土元素的经热轧和温轧的5083铝合金板材，厚度为 3.1mm。分别沿板材轧制方向的平行方向宽度的3/4位置取样，试样经去应力退火处理(退火处理温度200℃，保温时间为2h)，1#至4#试样的化学成分见表2和表3所示。
(2)实验方法。晶间腐蚀(IGC)实验按照国家标准：GB/T7998—2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)进行晶间腐蚀试验。按标准要求先将试样浸入氢氧化钠熔液中5-15min进行预处理，然后浸泡在(35±2)℃的恒温实验水箱中进行实验。晶间腐蚀液成分配比为：30g/LNaCl+10mL/L HCl。在恒温实验水箱中浸泡24h，取出后清洗干净，在垂直于主变形方向的一端切去5mm，按金相制备方法对试样进行磨制和抛光，利用蔡司光学显微镜(OM)观察试样截面腐蚀形貌。
6.2.2晶间腐蚀(IGC)性能实验结果
图6-4a至图6-4d显示了4种添加不同含量稀土元素Ce的5083铝合金试样晶间腐蚀性能的实验结果。试样在晶间腐蚀溶液中浸泡24h后，经超声波清洗干净，按照GB/T7998—2005标准要求，在垂直于主变形方向的一端切去5mm，并按金相制备方法对试样进行磨制和抛光，使用蔡司光学显微镜观察试样截面腐蚀形貌并测量腐蚀的最大深度。由图6-4a至图6-4d对各试样测量结果可知2#试样的最大晶间腐蚀深度(103μm)明显小于其它添加稀土元素的试样，且2#试样没有出现典型的网状晶间腐蚀形貌，只存在小的腐蚀坑，晶间腐蚀裂纹并没有沿晶界扩展到合金试样内部。由晶间腐蚀实验结果可见，2#试样的晶间腐蚀扩展速率最低，耐晶间腐蚀性能优于其它添加稀土元素的试样，说明在5083铝合金中添加150ppm的稀土元素Ce可有效提高该合金的抗晶间腐蚀性能。
6.2.3晶间腐蚀性能分析与讨论
5083铝合金是镁含量4.0-4.9％(质量分数)的铝镁合金，冷轧状态或退火处理后，在室温状态下或者在较高的敏化温度(67～177℃)中长时间加热后，析出相的分布状态对晶间腐蚀具有较大影响，析出相呈断续状分布时基本上不产生晶间腐蚀，但是析出相呈连续网状分布时晶间腐蚀较为敏感。
6.2.4晶间腐蚀性能结论
(1)晶间腐蚀裂纹优先沿晶界扩展到合金试样内部。
(2)在5083铝合金中添加适量(150ppm)的稀土元素Ce可有效提高该合金的抗晶间腐蚀性能。
6.3含稀土元素5083铝合金板材的模拟海水浸泡腐蚀性能
铝合金具有密度小、比强度大、良好的导电导热性能、没有磁性等特点，广泛应用于中小型舰艇的建造，可以有效的减轻舰艇本身的重量、提高航行速度。铝合金的耐蚀性主要依靠自身钝化产生的氧化膜，但是海洋环境中含有的Cl－会造成氧化膜的钝态失稳，使腐蚀向基体深入，制约铝合金在海洋环境中的进一步应用和发展。稀土元素的物理化学性质和电子层结构非常独特，为了改善材料的性能，稀土元素常被加入各种金属及非金属材料中。本实验对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材，在模拟海水环境浸泡的腐蚀性能进行研究。
6.3.1模拟海水浸泡腐蚀性能实验
(1)实验材料。实验材料为添加不同含量稀土元素的经热轧和温轧的5083铝合金板材，厚度为 3.1mm。分别沿板材轧制方向的平行方向宽度的1/4位置取样，试样经去应力退火处理(退火处理温度200℃，保温时间为2h)，1#至4#试样的化学成分见表2和表3所示。
(2)实验方法。用切割装置制作标准的腐蚀试样，试样尺寸40mm×30mm×3mm，为方便挂样需要在试样的一端顶部钻孔。使用水磨砂纸逐级打磨试样至1000#，使用蒸馏水清洗试样，然后酒精擦拭干净，在烘干箱内静置24h后对试样进行称重(精确至0.0001g)，然后放置于干燥皿中准备实验时使用。1#-4#试样分别进行为期30天、45天、60天的腐蚀试验，采用质量分数为3.5％的NaCl 溶液作为模拟腐蚀溶液，检测溶液的PH值在3.8～4.2区间，恒温箱溶液温度为25℃。腐蚀结束后，使用相机对3组试样挂片试样进行拍照，观察宏观腐蚀形貌；使用扫描电镜对腐蚀60天的试样挂片试样进行微观腐蚀形貌观察。根据标准(GB/T16545－1996《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》)对腐蚀后的试样进行腐蚀产物清除，称量腐蚀后的质量并进行记录。
6.3.2模拟海水浸泡腐蚀性能试验结果
(1)宏观腐蚀形貌。图6-5a至图6-5l给出3组4种添加不同稀土元素Ce的5083铝合金试样模拟海水浸泡腐蚀后的宏观腐蚀形貌。如图6-5a至图6-5l，试样在恒温箱中腐蚀30天后，4种铝合金试样产生了较为均匀分布的黑色斑点，并失去了原来的金属光泽，具有点蚀的特征。当试样在恒温箱中腐蚀45天后，4种铝合金试样表面黑色斑点变大，颜色也变深。当试样在恒温箱中腐蚀60天后， 4种铝合金试样表面颜色变得更深，而且表现为凹凸不平的特征。对比同一腐蚀时间周期4种铝合金试样的腐蚀状态，4#试样的在30天产生了明显的斑点，而2#试样并未出现明显斑点，且表面相对比较平整；腐蚀60天4#试样表面发暗，有较多均匀分布的黄褐色斑点腐蚀坑，而2#试样表面颜色相对较浅，黄褐色斑点不使很明显，表明模拟海水浸泡环境中，2#试样的耐海水腐蚀性能更好一些。
(2)微观形貌分析。图6-6a至图6-6d给出4种添加不同稀土元素Ce的5083铝合金试样模拟海水浸泡腐蚀后的微观腐蚀形貌。如图6-6a至图6-6d所示，扫描电镜观察试样在恒温箱中腐蚀60 天后，通过对比1#至4#试样的扫描电镜图，可以看出1#试样4#试样都出现了较重的腐蚀。2# 试样腐蚀较为轻微，而4#试样出现的腐蚀区域较大，且出现较深程度的腐蚀。将表面的腐蚀产物除去后，通过观察表面形貌，在5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce，使基体中腐蚀活性点分布得更为均匀，因而在整个腐蚀期腐蚀就更加均匀，有效减少了腐蚀产物的偏聚。
(3)失重分析。表10、表11和表12分别给出4种添加不同稀土元素Ce的5083铝合金试样模拟海水浸泡30天、45天和60天的腐蚀前后的质量检测。图6-7a为4种添加不同稀土元素Ce的5083 铝合金试样模拟海水浸泡实验的腐蚀失重率和时间曲线。
表10模拟海水浸泡试验30天试样腐蚀前后的质量检测
表11模拟海水浸泡试验45天试样腐蚀前后的质量检测
表12模拟海水浸泡试验60天试样腐蚀前后的质量检测
由表10、表11和表12及图6-7a可知，腐蚀30天1#试样、2#试样、3#试样和4#试样的腐蚀率分别为0.01293％、0.00292％、0.00559％和0.03203％，腐蚀45天后1#试样、2#试样、3#试样和4#试样的腐蚀率分别为0.05924％、0.02504％、0.04481％和0.06544％，腐蚀60天后1#试样、2#试样、3#试样和4#试样的腐蚀率分别为0.09307％、0.06557％、0.07594％和0.10239％。在3个腐蚀周期里2#试样的腐蚀率分别比4#试样的腐蚀率下降了0.02911％、0.04490 ％、0.03682％。在5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce，能够在5083铝合金表面形成连续、致密并且具有很好粘着性的钝化膜，使5083铝合金基体表面出现的活性溶解有效减少，较好的阻止了Cl-向基体内部运动，基体表面的电化学腐蚀得到减缓，2#试样腐蚀率整体低于4#试样的腐蚀率。
6.3.3模拟海水浸泡腐蚀性能分析与讨论
5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce，使基体中腐蚀活性点分布得更为均匀，因而在整个腐蚀期腐蚀就更加均匀，有效减少了腐蚀产物的偏聚。在5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce，能够在 5083铝合金表面形成连续、致密并且具有很好粘着性的钝化膜，使5083铝合金基体表面出现的活性溶解有效减少，较好的阻止了Cl-向基体内部运动，基体表面的电化学腐蚀得到减缓。
6.3.4模拟海水浸泡腐蚀性能结论
(1)5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce可以有效减少了腐蚀产物的偏聚。
(2)在5083铝合金中添加适量的稀土元素Ce，较好的阻止了Cl-向基体内部运动，基体表面的电化学腐蚀得到减缓。
(3)5083铝合金中添加适量的稀土元素(150ppm)Ce能够有效提高5083铝合金的耐腐蚀性。
6.4稀土元素Ce含量为150ppm的5083铝合金的慢应变速率应力腐蚀研究
应力腐蚀开裂(SCC)是指受应力的材料在特定的腐蚀环境中，发生的滞后开裂或者滞后断裂现象。发生应力腐蚀开裂的材料在没有应力作用时，腐蚀极为轻微，但是当施加的应力超过某一临界值时，在腐蚀并不严重的情况下就会发生开裂或者断裂。腐蚀环境、材料和应力是发生应力腐蚀的3个基本要素。本实验对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材，在模拟海水环境的慢应变速率的腐蚀性能进行研究。
6.4.1慢应变速率应力腐蚀性能实验
(1)实验材料。实验材料为稀土元素Ce添加量为150ppm的￠80mm×80mm铝锭，经465℃保温20h均匀化处理后，再将铝锭预热至510℃保温2h，在锻压机上锻压至厚度为35mm的扁锭，总变形率为56.3％。将去应力退火处理后的扁锭加工成慢应变速率应力腐蚀拉伸试样，拉伸试样尺寸如图6-7a所示。慢应变速率应力腐蚀拉伸试样，取样位置为与铸造方向平行位置宽度1/4处取样。试样的化学成分见表2，稀土元素Ce的添加量为150ppm。
(2)实验方法。评价添加稀土元素Ce的5083铝合金应力腐蚀敏感性，使用了相关实验标准GB/T 15970.7－2017及HB 7235，采用慢应变速率拉伸试验来衡量其在腐蚀介质中的应力腐蚀敏感性，慢应变速率拉伸应力腐蚀试验使用的设备型号：MFDL 100型慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机。试样工作段标距为10mm、直径为4mm，选择使用的应变速率为10-6/S，试验条件为(50±1)℃的干燥空气气氛和3.5％NaCl腐蚀溶液中，腐蚀溶液的PH值范围：6.3～7.1。断口形貌观察使用设备型号： FEI QUANTA 650场发射扫描电镜，工作电压15kV。
6.4.2慢应变速率应力腐蚀性能实验结果
(1)慢应变速率拉伸性能。图6-8为添加稀土元素的5083铝合金试样在50℃的空气中及在50 ℃的3.5％NaCl溶液中的慢应变速率拉伸曲线。由图6-8慢应变速率拉伸曲线可见，试验合金在50 ℃的3.5％NaCl溶液中的拉伸强度和拉伸时间与50℃的干燥空气介质中相比均有一定程度的损失。表13列出了干燥空气介质中和3.5％NaCl溶液中试验合金的慢应变速率拉伸结果。根据相关标准文件GB/T 15970.7－2017和HB 7235－95，实验合金的应力腐蚀敏感性使用强度损失及应力腐蚀指数 (ISSRT)来表征。ISSRT的范围为0→1，数值越大代表应力腐蚀断裂敏感性增大。式中σfw、σAw、δfw、δAw分别为在环境介质中的断裂强度、在惰性介质中的断裂强度、在环境介质中的断裂延伸率、在惰性介质中的断裂延伸率。
从表13可以看出，在50℃温度条件下，添加150ppm的5083铝合金在3.5％ NaCl溶液环境下具有一定的应力腐蚀敏感性。
表13慢应变速率拉伸结果
(2)慢应变速率拉伸断口形貌。图6-9a和图6-9b分别为添加150ppm的5083试验铝合金在 50℃的空气中和在3.5％NaCl溶液中的慢应变速率拉伸断口的形貌扫描图片。在50℃的干燥空气中，断口表面看不到应力腐蚀断裂区，整体上韧窝形貌较深(见图6-9a)。在50℃的3.5％NaCl溶液中，试样表面存在部分应力腐蚀断裂区，断口韧窝形貌较浅一些(见图6-9b)。由慢应变速率拉伸断口形貌看以看出，在50℃的3.5％NaCl中，添加150ppm的5083试验铝合金具有一定的应力腐蚀特征。
6.4.2慢应变速率应力腐蚀性能分析与讨论
5083铝合金的应力腐蚀开裂的敏感性和沿晶析出的β相有直接关系，当沿晶析出连续分布的β相时，应力腐蚀开裂敏感性急剧增加。在实际应用中，Mg量小于3.5％Al-Mg系合金，发生应力腐蚀开裂的事件很少，但含Mg量接近或者超过5％的Al-Mg系合金，应力腐蚀开裂敏感性很大。实际研究中含Mg量大于4％的5083铝合金都存在一定程度的应力腐蚀开裂敏感性。
6.4.2慢应变速率应力腐蚀性能结论
通过慢应变速率拉伸实验以及对试样断口形貌扫描分析可知，添加150ppm的5083铝合金合金在在50℃温度条件下和3.5％ NaCl溶液环境下具有一定的应力腐蚀敏感性。
6.5本部分小结
本部分主要不同稀土元素Ce含量的5083铝合金的耐腐蚀性能进行了研究：
(1)使用电化学工作站对添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材试样测试了开路电位- 时间曲线、电化学阻抗谱和极化曲线。确定5083铝合金中添加150ppm的稀土元素Ce有效提高了 5083铝合金的耐腐蚀性能。
(2)通过添加不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材晶间腐蚀测试及分析，确定5083铝合金中添加150ppm的稀土元素Ce可有效提高该合金的抗晶间腐蚀性能。
(3)通过模拟海水浸泡实验，对不同稀土元素Ce含量的5083铝合金板材腐蚀实验30天、45 天和60天的宏观腐蚀形貌、微观腐蚀形貌及失重率进行了分析，再次确认了在5083铝合金中添加 150ppm的稀土元素Ce可有效提高该合金的耐海水腐蚀性能。
(4)通过测试50℃的空气中及在50℃的3.5％NaCl溶液中的慢应变速率拉伸曲线，及拉伸试样的断口形貌分析，研究稀土元素Ce含量为150ppm的5083铝合金的慢应变速率应力腐蚀的敏感性。确定了稀土元素Ce含量为150ppm的5083铝合金在50℃的3.5％ NaCl溶液具有一定的慢应变速率应力腐蚀敏感性。
第七部分结论
通过熔炼→均匀化处理→热轧→温轧→去应力退火→再结晶退火→综合力学测试分析→耐腐蚀性能测试分析，研究了添加稀土元素Ce(0–250ppm)对5083铝合金组织及性能的影响。首先研究了不同含量稀土元素Ce的5083铝合金的熔炼工艺，实现对稀土元素含量的精准控制。其次，研究了添加稀土元素后5083铝合金铸锭的均匀化处理工艺及板材的轧制工艺，及轧板后的去应力退火和再结晶退火工艺对板材的综合力学性能及组织结构与夹杂物的分析。最后研究了添加稀土元素Ce(0– 250ppm)对5083铝合金耐腐蚀性能的影响，确定了最优的稀土添加方案。得出以下结论：
(1)在熔炼不同含量稀土元素Ce的5083铝合金的过程中，针对稀土元素特殊的物理化学性质，以及具体的实验设备状况，加上稀土元素Ce在熔炼时容易氧化，同时稀土元素Ce与合金中Na等其它杂质及合金元素反应生成炉渣，造成了稀土元素Ce的烧损。熔炼时选用Ce含量为30％的Al-Ce 中间合金形式加入，首先熔炼一炉Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭，后续熔炼的0-250ppm Ce 含量的5083铝合金铸锭，以Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭为添加稀土元素Ce的中间合金加入。目的是增加Al-Ce中间合金的实际加入量，有效避免了加入Ce含量很高的30％的Al-Ce中间合金来熔炼Ce含量较少(0–250ppm)的5083铝合金，减小了控制稀土元素Ce含量的难度。熔炼时使用不含Na元素的二号溶剂，可有效避免铸锭加工时的氢脆缺陷，同时减少熔炼时Na元素与稀土元素生成炉渣，增加控制稀土含量的难度。
(2)对铸锭进行465℃保温20h的均匀化热处理很好的消除了铸锭组织中的残留相、晶间偏析和一次析出相，并改善了铸锭综合性能。轧制工艺先将铸锭预热至510℃保温2h后热轧到厚度5.5mm 的厚板，然后控制轧制温度在150℃～350℃之间，温轧到3.1mm的成品厚度，温轧的总变形率大致为43.6％。具体的压下工艺为：38mm-30.2mm-26.1mm-22.3mm-19.9mm-16.2mm-13mm-10.5mm-8.4mm -5.5mm-4.6mm-3.9mm-3.52mm-3.1mm。可以有效的避免裂边等缺陷，实现了很好的轧板质量。轧板后使用的去应力退火处理温度200℃，保温时间为2h，加热速度为5℃/min，很好的起到了降低晶格弹性畸变能，减少了金属成形件的内应力，使成形件的尺寸稳定，同时保留原来的加工硬化效果，成形件的硬度、强度不降低的作用。对轧制后的板材使用460℃×20h的再结晶退火处理后晶粒成等轴状均匀分布，并且晶粒尺寸适中，退火处理后的表面平整没有明显氧化层，能够很好的实现对添加稀土元素Ce的5083铝合金进行再结晶退火的目的。
(3)铸锭经均匀化处理(465℃+20h)后，未添加稀土元素Ce的5#铸锭微观组织晶界较为明显。添加稀土元素Ce含量为60–250ppm的1#至4#铸锭，随着稀土元素Ce含量的减少，晶粒变得较为粗大，添加稀土元素Ce对5083铝合金的铸态组织具有一定的晶粒细化作用。
(4)轧制的板材经去应力退火处理(200℃+2h)后，添加稀土元素Ce含量为60–250ppm的 1#至4#板材，微观组织随稀土Ce含量的增加起到一定的晶粒细化作用。对屈服强度、抗拉强度及断后伸长率的力学性能影响不大，表现为1#、4#试样的强度略高于2#、3#试样，而1#、4#试样的断后伸长率(A)低于2#试样、3#试样。表面硬度与合金中稀土元素Ce的含量有关，且随稀土Ce含量的减少而降低。
(5)通过对比分析含62-250ppm稀土元素Ce的5083铝合金板材的电化学腐蚀性能的开路电位 (OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和循环极化曲线；晶间腐蚀性能晶间腐蚀深度的定量分析；模拟海水浸泡腐蚀性能的宏观腐蚀形貌、微观腐蚀形貌和失重率分析；相互印证确定了当添加150ppm的稀土元素Ce，能够有效的提高5083铝合金板材的耐腐蚀性能。应力腐蚀性能测试了添加150ppm稀土元素Ce的5083铝合金，在50℃的温度下干燥空气介质和3.5％ NaCl熔液介质中的慢应变速率对比分析，以及两种介质中拉伸试样断口相貌的对比分析，确定了添加150ppm稀土元素Ce的5083铝合金具有应力腐蚀敏感性。
本发明通过对5083铝合金组织及性能的调控，制定合理的稳定化退火工艺，优化设计板材轧制时冷变形量，避免析出相不沿晶界连续析出，并使析出相能够在晶内弥散分布，添加合金元素微合金化和表面防护处理工艺。
Claims (10)
1.一种耐腐蚀性5083铝合金，其特征在于，Si的含量小于或等于0.4wt％，Fe的含量小于或等于0.4wt％，Cu的含量小于或等于0.10wt％，Mn的含量为0.4～1.0wt％，Mg的含量为4～4.9wt％，Cr的含量为0.05～0.25wt％，Zn的含量小于或等于0.25wt％，Ti的含量小于或等于0.15wt％，Ce的含量为0.006～0.025wt％，Na的含量小于或等于5×10-6，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀性5083铝合金，其特征在于，Si的含量为0.4wt％，Fe的含量为0.1wt％，Cu的含量为0.009wt％，Mn的含量为0.49wt％，Mg的含量为4.2wt％，Cr的含量为0.12wt％，Zn的含量小于或等于0.001wt％，Ti的含量小于或等于0.02wt％，Ce的含量为0.015wt％，Na的含量小于或等于1×10-6，余量为Al。
3.一种耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)熔炼浇铸：将铝合金原料和Al-Ce中间合金置于熔炼设备中熔炼后，浇铸得到铝锭；
步骤(2)均匀化处理：将浇铸得到的铝锭进行均匀化处理，处理结束后随炉冷却至室温；
步骤(3)轧制处理：将均匀化处理后的铝锭进行先热轧后温轧的轧制处理，轧制处理后，得到铝板；热轧的总变形率为80～95％；温轧的总变形率为40～45％；
步骤(4)退火处理：将轧制后得到的铝板进行退火处理，处理结束后随炉冷却至室温，即得到耐腐蚀性5083铝合金；
耐腐蚀性5083铝合金中：Si的含量小于或等于0.4wt％，Fe的含量小于或等于0.4wt％，Cu的含量小于或等于0.10wt％，Mn的含量为0.4～1.0wt％，Mg的含量为4～4.9wt％，Cr的含量为0.05～0.25wt％，Zn的含量小于或等于0.25wt％，Ti的含量小于或等于0.15wt％，Ce的含量为0.006～0.025wt％，Na的含量小于或等于5×10-6，余量为Al。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)熔炼浇铸的方法包括如下步骤：
步骤(1-1)：将标准5083铝合金裁剪成铝板，置于熔炼炉中熔炼，得到铝合金原料液；
步骤(1-2)：向铝合金原料液中加入含Ce中间合金熔炼，并在表面覆盖一层2号溶剂，得到稀土铝合金原料液；
步骤(1-3)：将稀土铝合金原料液升温至熔炼温度并进行首次保温，首次保温结束后进行充分搅拌；搅拌结束后待炉温稳定至熔炼温度，进行二次保温；
步骤(1-4)：二次保温结束后对稀土铝合金原料液进行扒渣处理；然后倒入预热好的浇铸容器中进行浇铸；待稀土铝合金原料液完全凝固后取出置于空气中冷却至室温，得到铝锭。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1-1)中，标准5083铝合金的Si含量为0.131wt％，Fe的含量为0.337wt％，Cu的含量为0.034wt％，Mn的含量为0.493wt％，Mg的含量为4.308wt％，Cr的含量为0.018wt％，Zn的含量为0.040wt％，Ti的含量为0.008wt％。
6.根据权利要求4所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1-2)中，含Ce中间合金的制备方法为：以Ce的质量分数为30％的Al-30％Ce合金和标准5083铝合金为原料，熔炼得到Ce含量为6000ppm的5083铝合金铸锭，即为含Ce中间合金。
7.根据权利要求4所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1-1)中，熔炼时，以15℃/min的速率升温至780℃，熔炼时间为50～55min；
步骤(1-2)中，将铝合金原料液维持熔炼温度至780℃，加入含Ce中间合金后熔炼15min；2号溶剂为鹤壁太行科技有限公司生产的RJ-2溶剂，2号溶剂的加入量为稀土铝合金原料液重量的0.5～0.8wt％；
步骤(1-3)中，熔炼温度为750～800℃，首次保温时间为30min，二次保温时间为15min；搅拌时间为0.5min；
步骤(1-4)中，浇铸容器的预热方法为：在200℃条件下保温15min；浇铸时间控制在6-8秒；铝锭的尺寸为￠80mm×70mm。
8.根据权利要求3所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，均匀化处理的方法为：以5℃/min的升温速率升温至460～465℃，保温18～25h。
9.根据权利要求3所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，轧制处理的具体方法为：
将铝锭预热至510℃保温2h后，以450～480℃为开轧温度，按照铝锭－38mm-30.2mm-26.1mm-22.3mm-19.9mm-16.2mm-13mm-10.5mm-8.4mm-5.5mm的轧制道次将铝锭热轧成厚度为5.5mm的铝板；然后控制轧制温度在150℃～350℃并按照厚铝板-4.6mm-3.9mm-3.52mm-3.1mm的轧制道次继续将铝板温轧成厚度为3.1mm的铝板。
10.根据权利要求3所述的耐腐蚀性5083铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中退火处理方式为去应力退火：以5℃/min的加热速率升温至200℃保温2h。
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