船用5083 和5059 鋁合金板材耐腐蝕性能對比研究

劉 蒙

(中國船級社質量認證公司，北京 100006)

0 引 言

5 字頭系列鋁合金由于具有優良的耐腐蝕性、機加工成形性、焊接性和具有較好的強度等優點，被廣泛應用在大型艦艇的上層建筑、航空母艦的飛行甲板以及全鋁海洋船的船體結構上[1]。使用鋁合金板代替常規鋼板作船體材料，不僅可以減輕船體重量，還可以彌補鋼板在服役期間因銹蝕而引起的失效[2]。5083 鋁合金是目前船舶制造中應用較為廣泛的一種合金，但是隨著社會對船舶強度和速度要求的提高，該合金很難滿足使用性能的要求，因此制造廠家開始考慮其他新型耐蝕合金，如含Mg 量更高的5059 合金。

5083 合金和5059 合金均屬于不可熱處理強化的鋁合金，其主要強化手段是加工硬化，加工工藝一般是經過熔煉后進行熱軋、冷軋等工序成為板材，然后穩定化處理[3]，以達到H116 狀態來滿足合金的耐腐蝕性能。研究表明穩定化退火工藝影響合金的化合物分布狀態、組織構成等，進而影響合金的耐蝕性能，影響合金的耐腐蝕性能的因素主要有金相學因素及電化學因素。德國Corus 公司針對5083 和5059 合金進行了力學性能、焊接性能、腐蝕性能的對比試驗，但結果僅局限于宏觀的描述了2 種合金的性能差別，本文通過對比2 種合金的剝落腐蝕性能、晶間腐蝕性能，結合合金在化學成分、金相組織及化合物組成上的差別，系統分析2 種合金耐剝落腐蝕及晶間腐蝕程度差別的原因，找出合金組織對耐腐蝕性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料來自國外不同廠家生產的5083 和5059 鋁合金，其狀態均為H116，化學成分如表1 所示。

表1 5083 和5059 合金的化學成分（wt/%）Tab.1 5083 and 5059 alloys chemical composition（wt/%）

試樣經粗磨、細磨、粗拋、精拋至表面無劃痕，經Keller 試劑（2.5 mL HNO3+1.5 mL HCL+1 mL HF+95 mL H2O）浸蝕10 s 后觀察合金析出相的分布、大小、數量；采用陽極覆膜設備對試樣在常溫下進行陽極覆膜，陽極覆膜參數為：電壓20 V，溶液為濃度1.8%的HBF4，覆膜時間2 min，試樣經陽極覆膜后能清晰的呈現晶粒的形態和大小，便于觀察合金的晶粒形狀和尺寸。采用ZEISS Imager M2m 型光學顯微鏡和ZEISS EVO18 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金顯微組織，SEM 的工作電壓20 kV。

按照ASTM G66 和G67 標準要求，切取尺寸分別為40×100×6 mm 和50×6×7 mm 的試樣進行合金的剝落腐蝕和晶間腐蝕試驗。用環氧樹脂將剝落腐蝕試樣鑲起來，保留軋面，用800#砂紙磨光亮并防止試樣在磨制過程過熱。按照ASTM G66 標準，2 種合金分別置于標準要求恒溫65℃的溶液中，垂直懸掛24 h 后，對合金的剝落腐蝕進行評級。根據腐蝕坑或剝落腐蝕的嚴重程度，從小到大依次將腐蝕等級評定為：N，PA，PB，PC，EA，EB，EC，ED。晶間腐蝕試樣經800#砂紙磨光亮，酸洗、堿洗后，在30℃的HNO3（70%～72%wt）溶液中浸泡24 h，測量試樣腐蝕前后的損失重量。

2 結果與分析

2.1 剝落腐蝕及晶間腐蝕

2 種合金腐蝕前后宏觀照片如圖1 所示。從試樣的剝落腐蝕狀況可以看出，5083 合金的剝落腐蝕為腐蝕級別為PC 級，表面點蝕較嚴重，并輕微深入試樣表面。5059 合金的腐蝕級別為N 級，表面腐蝕不嚴重。

圖1 5083 和5059 合金剝落腐蝕前后宏觀照片Fig.1 5083 and 5059 alloy before and after exfoliation corrosion macrographs

2 種合金的晶間腐蝕結果如表2 所示，ε（5059合金）＜ε（5083合金）。因此可以判定5059 合金的耐腐蝕性能高于5083 合金。

表2 5083 和5059 合金的晶間腐蝕失重結果Tab.2 Weight loss results of intergranular corrosion of 5083 and 5059 alloys

綜合2 種合金的剝落腐蝕和晶間腐蝕試驗結果，5059 合金的耐蝕性能優于5083 合金的耐蝕性能。

2.2 化學成分對合金耐蝕性能的影響

5083 和5059 合金在室溫時的相組成主要是α 固溶體和β 相（Mg2Al3）。合金中固溶體α 電位（?0.89～?0.84 V）較β 相的電位(?1.24 V)高，在電解液中常常會產生電化學腐蝕。有關研究表明5 字頭系列合金隨著Mg 含量的增加，合金晶界上會優先析出呈陽極性的β 相，造成合金具有較大的應力腐蝕和晶間腐蝕敏感性[4–6]，會降低合金的耐腐蝕性能。但楊磊，羅兵輝[7]研究表明在合金中添加適量的Zn 元素，在加工過程中會在晶界形成不連續的β 相（Mg2Al3），且在晶內也會形成彌散均勻分布的β 相（Mg2Al3）。從表1 可以看出，盡管5059 合金的Mg 含量（wt=5.25%）高于5083合金中的Mg 含量（wt=4.72%），但5059 合金的Zn 含量（wt=0.21%）高于5083 合金中的Zn 含量（wt=0.15%），Zn 含量的增加使得5059 鋁合金的抗腐蝕性能不僅沒有降低，反而比5083 鋁合金的耐腐蝕性能更加優秀。

2.3 合金組織對腐蝕性能的影響

2.3.1 晶粒形態

圖2 和圖3 分別為5083 和5059 合金在厚度方向上的陽極覆膜照片。從圖中可以看出，5083 合金晶粒在邊緣處、厚度1/4 處及中心部位變化不明顯，大多數晶粒呈現變形的纖維狀組織，而5059 合金晶粒沿邊緣處、厚度1/4 處及中心部位變形的纖維狀組織所占的比例增大，邊緣部位主要為再結晶組織，中心部位主要為變形的纖維狀組織。

圖2 5083 鋁合金厚度方向上不同部位的晶粒Fig.2 Grain at different positions in the thickness direction of 5083 aluminum alloy

圖3 5059 合金厚度方向上不同部位的晶粒Fig.3 Grain at different positions in the thickness direction of 5059 aluminum alloy

國內對鋁合金剝落腐蝕機理研究表明，引起鋁合金剝落腐蝕有2 個必要條件：一是具有高度定向的纖維組織；二是具有適宜的腐蝕介質。Kelly 和Robinson[8–9]研究認為，剝落腐蝕的發生同樣需要具備2 個條件:一是拉長的晶粒；二是晶界電偶腐蝕（沉淀相/溶質貧化區）造成的腐蝕通道。此外腐蝕產物所產生的外推力也是鋁合金產生剝落腐蝕的重要影響因素。

由于5083 合金板材因加工成型的特點造成合金表面具有沿軋制方向的變形，并有扁平晶粒結構，因此在腐蝕試驗時容易在合金晶界處形成連續選擇性陽極溶解通道。隨浸泡時間的延長，腐蝕在變形組織中的蝕坑進一步加深，并出現開裂。隨著浸泡時間的進一步延長，腐蝕產物剝落，同時使晶界受到外推力作用，加速了合金表面裂紋的萌生與擴展，從而造成合金表層開裂與剝落，進而引起分層剝落現象[10]。而5059 合金邊緣部位為完全再結晶的等軸晶粒，則不會產生剝落腐蝕。因此5083 和5059 合金在邊緣處晶粒形態的不同造成合金的耐剝落腐蝕性能不同。

2.3.2 彌散析出相分布

圖4 和圖5 分別為>5083 和5059 合金金相組織。從圖中可以看出，5083 合金析出相主要沿晶界分布，斷續程度不明顯，晶內彌散析出。5059 合金析出相在基體彌散析出，且呈斷續均勻分布。

圖4 5083 鋁合金厚度方向上不同部位的金相Fig.4 Metallography of different parts in thickness direction of 5083 aluminum alloy

圖5 5059 鋁合金厚度方向上不同部位的金相Fig.5 Metallography of different parts in thickness direction of 5059 aluminum alloy

鋁合金的晶間腐蝕是在晶粒邊界發生的一種選擇性腐蝕，由于β 相（Mg2Al3）的電位比鋁合金的基體電位高，從而使晶界與相鄰晶粒之間形成一定的電位差。在5083 合金進行晶間腐蝕試驗時，在晶界上析出的β 相（Mg2Al3）增加了材料形成局部腐蝕原電池的傾向，故而出現了晶間腐蝕的現象。5083 合金由于在晶界析出連續β 相（Mg2Al3），造成晶間腐蝕性能相對較差，這與一些學者研究的在Al-Mg 系合金中晶界析出連續β 相（Mg2Al3）導致鋁合金晶間腐蝕性能較差的結果是一致的[11–12]。另外5083 合金β 相（Mg2Al3）的形態及分布對合金抗腐蝕性能影響很大，沿晶界大量析出的連續分布的β 相（Mg2Al3），分割了鋁合金的基體，在電解質作用下，在鋁合金表面優先產生的點腐蝕為起點，沿著β 相（Mg2Al3）在晶界形成的網狀陽極腐蝕通道，按照5083 合金邊緣部位是部分再結晶+變形纖維組織的特點，腐蝕便會沿著與金屬表面大致平行的方向進行擴展，最終形成分層剝落的腐蝕特征，造成5083 鋁合金的失重較為嚴重。

5059 合金則由于β 相（Mg2Al3）在基體中呈現斷續的彌散分布，在進行晶間腐蝕試驗時，β 相（Mg2Al3）出現的區域優先發生腐蝕，在無β 相（Mg2Al3）出現的地方晶間腐蝕則會停止，所以5059 合金析出相的分布形態使得該合金耐晶間腐蝕性能良好。

3 結 語

1）在5 字頭系列鋁合金中添加適量的Zn 元素，容易在合金晶界形成了不連續的β 相（Mg2Al3），會增強鋁合金的耐腐蝕性能。

2）鋁合金表面晶粒的形狀對耐腐蝕性能有影響。5083 合金的表面具有沿軋制方向變形和扁平的晶粒結構，不利于合金的耐腐蝕性能。5059 合金表面組織為完全再結晶組織有利于增強合金的耐腐蝕性能。

3）5083 合金析出物β 相（Mg2Al3）主要沿晶界連續分布，不利于合金的耐腐蝕性能。5059 合金析出物β 相（Mg2Al3）在基體中呈現彌散析出，斷續均勻分布，有利于合金的耐腐蝕性能。