N離子注入改善2195鋁鋰合金的耐磨和腐蝕性能

竇忠宇，王婷，張榮宇，張殿喜

（安順學院電子與信息工程學院，貴州 安順 561000）

在減輕航空航天器質量的前提下，鋁鋰合金中每增加1%（質量分數）的金屬鋰，密度降低約3%，彈性模量卻提高約6%，產生明顯的強化效果，因此鋁鋰合金是航空航天領域最具潛力的結構材料之一［1-2］。作為第三代鋁鋰合金，2195鋁鋰合金因其比強度高、韌性好、抗應力腐蝕性能優異而成為應用最廣泛的鋁鋰合金之一，廣泛用于飛機外掛箱、機翼和蒙皮等方面［3］。2195鋁鋰合金是典型的析出相硬化型合金，不同的熱處理工藝可以改變其性能，于利軍等［4］研究了熱處理工藝T6I6對2195鋁鋰合金組織和性能的影響，試樣經505℃、40 min鹽浴固溶、水淬后，再進行T6I6和T6時效處理，T6I6熱處理工藝使2195合金相對T6工藝進一步提高了合金塑性及斷裂韌性。

目前鋁鋰合金的研究主要集中在時效成形技術、熱處理工藝、焊接技術等方面，采用表面處理工藝提升鋁鋰合金綜合性能的報道較少，Yang等［5］采用激光沖擊強化（LSP）工藝對時效處理的2195鋁鋰合金試樣進行表面處理，合金表面晶粒細化，并有部分析出相溶解在表面，硬度最大值出現在頂部表面。蘇運來等［6］研究了噴丸強化工藝對鋁鋰合金疲勞性能影響，Al-Li-XX合金表現出一定的各向異性，而2XXX合金則表現出較明顯的各向同性，噴丸強化對兩種鋁鋰合金試件疲勞性能有不同程度的提高，噴丸強化處理后兩種材料試件的疲勞壽命分散性均不同程度的增大。Niu等［7］采用面銑削和拋光研磨工藝處理2A97鋁鋰合金，發現銑削后的表面具有更好的耐腐蝕性能，這得益于加工硬化現象。李茂林等［8］采用機械研磨技術處理1420鋁鋰合金，表面出現了塑性變形層，晶粒得到細化。肖金濤等［9］研究了工藝參數對2195鋁鋰合金陽極氧化膜的耐蝕性影響，當硫酸濃度為180～200 g/L，溫度為14℃，氧化電壓為14V，氧化時間為50 min時，氧化膜具有最好的耐腐蝕性能。離子注入技術使離子與材料表面發生相互作用，導致材料表面的成分、結構和性能會發生變化，使得表面性能變得更好［10-12］。Savaloni等［13］發現氮離子注入鋁合金后可以通過降低腐蝕速率和增加疲勞循環次數來提高耐腐蝕性能。陳勇忠等［14］將氮離子注入鋁的表面，離子注入劑量增大到一定程度，鋁的表面會有AlN出現，這將加強鋁表面的耐腐蝕性。郭紅偉等［15］采用滲氮工藝提升了不銹鋼基體的耐磨性能。離子注入技術是提高合金表面性能的有效手段，本文對2195-T6鋁鋰合金使用離子注入技術進行處理，研究N離子注入前后鋁鋰合金試樣表面組織與性能的變化，為鋁鋰合金表面處理工藝提供實驗參考。

1 實驗材料及方法

實驗材料選用2195鋁鋰合金板材，經過T6熱處理工藝，購自國內某公司，化學成分見表1，使用線切割機加工成15 mm×15 mm×5 mm的尺寸，再用1000 #和2000 #水磨砂紙打磨后進行拋光處理，使用超聲清洗10 min后冷風吹干。在西南核物理研究所研制的多功能離子注入與沉積設備上進行N離子注入實驗，N離子注入實驗前先進行離子清洗10 min，真空度為1.5×10-3Pa，注入能量為30 keV，抑制電壓1 keV，注入劑量為1×1018ions·cm-2。

表1 2195鋁鋰合金化學成分Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy

采用X’Pert PRO衍射儀進行XRD測試，檢測角20°～90°，掃描速度10°/min，步長0.013°/s；采用HV-1000維氏顯微硬度計測試表面硬度數據，選取5個部位取其平均值，載荷2.94 N，保載時間為15 s；采用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機進行鋁鋰合金表面摩擦實驗，使用Al2O3球進行干摩擦，摩擦方式為圓周運動，摩擦時間20 min，載荷10 N，摩擦速度100 r/min，摩擦半徑12 mm，使用PhaseShiftMicroXAM-3D測量了磨痕的磨損體積用以表征磨損性能；使用上海辰華CHI660E電化學工作站進行了電化學測試，測試試樣為工作電極，輔助電極為Pb電極，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為3.5%NaCl水溶液；在5%NaCl水溶液進行浸泡實驗，浸泡時間為48 h，試驗溫度25℃，使用失重法計算腐蝕速率［16］，采用電子天平對浸泡實驗試樣進行稱重，精確到0.1 mg，實驗后用SEM觀察去除腐蝕物后離子注入前后試樣的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為氮離子注入前后2195鋁鋰合金的X射線衍射圖譜，從圖1可知，2195鋁鋰合金表面主要以Al基體相為主，Al相的衍射峰2θ分別出現在38.45°、44.73 °、65.13 °、78.17 °、82.35 °等處。同時發現N離子注入后鋁鋰合金表面出現了AlN新相，而AlN相的2θ值依次為44.77°、65.23°、78.12°，這與高劑量N離子注入鋁合金的結果是一致的［17］，鋁鋰合金中Li元素含量較少且以化合物狀態存在，2195鋁鋰合金的相結構最強衍射峰始終為晶面（200）和（220），但是衍射強度增大，這說明2195鋁鋰合金的擇優取向并未發生變化。

圖1 離子注入前后試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of samples before and after ion implantation

2.2 顯微硬度

圖2為N離子注入前后鋁鋰合金試樣5次測量的顯微硬度，未處理試樣的硬度在154 HV左右，經過離子注入后的試樣表層硬度顯著降低，說明表層出現了軟化現象。有報道［18］對鋁鋰合金進行噴丸強化處理，結果發現鋁鋰合金的硬度降低但伸長率得到提高，軟化現象是由于離子注入過程中熱效應和塑性變形同時作用產生的動態再結晶，導致位錯密度減小，在表面處理中的纖維織構轉化也使的合金變形更加容易，結果導致材料表面改性層軟化。

圖2 鋁鋰合金離子注入前后鋁鋰合金試樣的顯微硬度Fig.2 Microhardness of Al-Li alloy samples before and after ion implantation of Al-Li alloy

2.3 摩擦磨損性能

圖3為2195鋁鋰合金N離子植入前后的摩擦系數。由圖3可知鋁鋰合金試樣在離子注入前后的平均摩擦系數大小都約為0.43，說明離子注入后摩擦系數并未發生明顯變化。通過離子注入層的軟化現象和AlN相的產

圖3 鋁鋰合金離子注入前后摩擦系數Fig.3 Friction coefficient of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

生來說明摩擦系數的原因，磨損行為可以用顆粒混合的薄軟層模型來解釋［19-20］，摩擦系數μ可以描述為表面剪切強度（S）與硬度（P）的比值，在表面覆蓋一層軟材料，接觸處的剪切強度為Ss，軟化層的摩擦系數μ=Ss/P，在硬度大幅降低時剪切強度也隨之變化，因此摩擦系數μ在高劑量N離子植入下未發生改變。圖4為離子注入前后合金試樣的磨痕三維形貌，從圖4中可以看到，鋁鋰合金進行離子注入后相比較于未處理試樣的磨痕深度變淺，磨損體積也從2.07×107μm3降低到1.84×107μm3，磨損量有所減少。

圖4 鋁鋰合金離子注入前后試樣磨損形貌Fig.4 Wear morphology of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

圖5為合金試樣離子注入前后的磨痕形貌，從圖5中可知，未處理合金試樣表面犁溝較深，同時還有片狀磨屑，說明試樣在摩擦過程中發生了嚴重的磨粒和粘著磨損，表面脫落的Al在摩擦過程中充當磨粒產生了明顯的犁溝。離子注入試樣表面犁溝較淺，表明磨粒磨損的狀況得到改善，同時粘著磨損情況減少，這是由于摩擦過程中過飽和氮的擴散能力得到加強，過飽和固溶氮向表面和試樣深層擴散，使得分布展寬，表面存在大量彌散的AlN顆粒不易粘著［21-22］。離子注入試樣相比較于未處理試樣，其磨損量降低，且磨痕表面較為平整光滑，說明N離子注入可以提升鋁鋰合金的耐磨性能。

圖5 鋁鋰合金試樣離子注入前后的磨痕形貌Fig.5 Morphology of wear scratch of the Al-Li alloy samples before and after ion implantation

2.4 腐蝕性能

2195鋁鋰合金原樣和離子注入試樣的極化曲線如圖6所示，使用Tafel外推法和失重法得到的腐蝕信息見表2。從圖6中可以發現兩者曲線較為相似，但在N離子注入后，合金的陽極極化曲線向鈍化方向遷移，腐蝕電位增加，腐蝕電流減小，浸泡實驗所得的腐蝕速率表明注入后腐蝕速率大幅降低，說明N離子注入能有效改善鋁鋰合金表面的耐蝕性能。這種行為可以歸因于注入樣品層中氮化鋁的形成和表面所含的天然氧化物層，這兩層保護材料提升了合金的耐蝕性能［23］。此外，有研究指出在高劑量N離子注入下，鋁合金表面晶界尺寸增大，晶界數減少，表面粗糙度減小，這些變化都有利于增強試樣的腐蝕行為［13］。

圖6 鋁鋰合金離子注入前后試樣的極化曲線Fig.6 Polarization curves of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

表2 N離子注入前后試樣的腐蝕數據Tab.2 Corrosion data of samples before and after N ion implantation

圖7為鋁鋰合金試樣離子植入前后在5%NaCl溶液腐蝕后的SEM圖，從圖中可以看到未處理試樣的表面腐蝕行為較為嚴重，晶間腐蝕明顯可見，由于點腐蝕使得鋁鋰合金表面形成一些細微的裂紋和孔洞，N離子注入注入后的試樣表面較為完整沒有明顯的點腐蝕現象，只出現了輕微的腐蝕，表面腐蝕性能的提升是由于氮離子注入后所形成的AlN以及過飽和氮的擴散能夠對表面起到保護作用，腐蝕形貌觀察佐證了電化學的測試結果，說明N離子注入可以有效提高2195鋁鋰合金的耐蝕性能。

圖7 鋁鋰合金試樣離子注入前后的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphologies of Al-Li alloy samples before and after ion implantation

3 結語

本文對經T6熱處理后的2195鋁鋰合金試樣進行N離子注入處理，發現N離子注入后鋁鋰合金表面有新相A1N的出現，離子注入后的試樣表面出現軟化現象，這是由于注入過程中動態再結晶和織構轉化造成的。N離子注入前后試樣的摩擦系數沒有變化，但離子注入試樣的耐磨性能得到提高，摩擦過程中磨粒磨損和粘著磨損程度大幅減輕。N離子注入后鋁鋰合金的腐蝕電位提高，腐蝕電流減小，在5%NaCl溶液浸泡后試樣的腐蝕速率相較于未處理試樣明顯降低，腐蝕后表面形貌較為完整，點腐蝕現象明顯改善，說明N離子注入是提高2195鋁鋰合金的耐磨和耐蝕性能的有效手段。