超聲噴丸對6061鋁合金耐腐蝕性能的影響

李 坤,張創創,龔虎虎,沙豪杰

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

6061鋁合金屬于Al-MgSi系合金,以MgSi為強化相,是一種可進行熱處理的鋁合金,因具有質量輕、耐腐蝕性好、強度較高、容易進行加工等優勢,廣泛用于航空航天、交通運輸、氫能儲運等工業領域中[1-2]。6系鋁合金具有很強的鹵化物離子敏感性,在含有氯離子的環境下,鋁合金零件容易發生點蝕,進而產生晶間腐蝕,危害性極大,容易造成零件突然失效,從而引發重大事故[3]。因此,若能尋找到一種能夠改善其在含氯離子環境中耐腐蝕性的新工藝,那么將對航空航天、航海及汽車等行業有著非常積極地意義。

近年來,一些新型材料表面處理技術顯示出了很好的應用前景,如離子注入、滲碳、激光噴丸、超聲噴丸等在提升材料力學性能和耐腐蝕性能方面均有不俗的表現,其中超聲噴丸表面改性技術尤為突出[4]。噴丸是一種常用的加工工藝,其目的在于增強和改善材料的某些性能,使零件的強度、抗疲勞、抗腐蝕性能得到顯著提高。超聲噴丸與普通的噴丸技術相比,彈丸或撞針在運動的過程中具有較高的動能,誘發了更大的塑性變形和殘余壓應力,并在材料的表面形成納米結構[5]。超聲噴丸裝置具有體積小、工作能耗低、無環境污染、操作時使用的丸粒數量少、彈丸可循環使用等優點[6]。

鋁合金作為工業生產中一種不可或缺的合金材料,受到國內外學者各種各樣試驗及仿真的研究探索。劉海娟[7]等利用DEFORM-3D軟件進行了擠壓成形的仿真實驗,研究出了在600℃半固態成形件的直角率最好,為帽形6061鋁合金薄壁件的最佳成型方案。陳姍姍[8]等采用OM等手段研究了均勻化處理對2618鋁合金在單級、雙級顯微組織演變的規律,闡述了單級、雙級均勻化工藝的最佳參數。Vaibhav Pandey[9]等研究了超聲噴丸處理對7075鋁合金耐腐蝕行為的影響,闡述了噴丸試樣耐腐蝕性能的增強是由于在納米結構的表面上迅速形成了均勻、有效地被動層,以及粗大沉淀物的明顯細化。

在上述研究背景下對6061鋁合金試樣噴丸后進行電化學腐蝕試驗,并在保障其它參數不變的前提下,選用了不同的噴丸時間,比較噴丸前后材料的耐蝕性變化,說明了噴丸工藝對6061鋁合金耐腐蝕性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗材料

選用6061-T6鋁合金標準拉伸試樣為試驗材料,其化學成分如表1所示。試驗共選擇了4組樣品,其中B1為未噴丸樣,B2-B4分別為雙面噴丸4min、6min和8min的試樣,每組試樣若干。將所有待超聲噴丸的6061鋁合金試樣按金相試樣標準預先按順序采用400#、800#、1500#和2000#的金相砂紙打磨試樣表面,打磨后的樣品使用金剛石研磨液對其進行研磨,在此基礎上,再用0.5mm粒徑的拋光劑在金相試樣拋光機上進行拋光。處理過后的試樣用無水乙醇清洗表面烘干備用。

表1 6061鋁合金的化學成分(質量分數,%)

1.2 超聲噴丸試驗

超聲噴丸試驗采用標準拉伸試樣,如下圖1所示,標明了樣品的大小和超聲噴丸的覆蓋范圍,其中樣品厚度為2mm。在型號為HJ3000-15的智能數控超聲波發生器控制的超聲噴丸工作臺上進行。本試驗超聲噴丸參數中超聲波發射器的功率為14.95KW,搭接率為77%,彈丸選擇直徑為4mm的鑄鋼丸,噴丸高度為60mm,超聲波噴丸后將試樣噴丸覆蓋區域線切割為10×10×2mm的尺寸用于后續試驗。

圖1 6061-T6鋁合金試樣尺寸圖

1.3 維氏硬度測量

硬度測量使用HV-1000Z型顯微硬度儀,該儀器測試精確度高、測試性能穩定,可測微小、薄形等樣品的顯微硬度。進行硬度測量前,將4組待測試樣進行線切割后的橫截面按金相試樣標準預先按400#、800#、1500#和2000#的金相砂紙打磨試樣橫截面至光滑,然后使用拋光劑在拋光機上對試樣截面進行拋光處理,完成打磨拋光后清洗待用。為保障數據的準確性,每個試樣截面的同一深度取三個點進行測量,深度上取30μm、60μm、90μm、120μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm等不同的深度進行測量觀察硬度變化。試驗中所加載荷為50g,倍率選擇40×,保荷時間為10s,對4組試樣依次進行測量得出數據。

1.4 表面形貌及粗糙度測量

噴丸后鋁合金試樣的表面粗糙度會發生明顯的變化,經過對試樣噴丸前后表面粗糙度進行測算進而比較其變化的幅度。采用美國NANOVEA公司PS50型號的三維非接觸式表面形貌儀,掃描范圍為5×5mm,掃描速度為2mm/s,鏡頭聚焦后按儀器推薦選擇波形捕獲率100Hz。試驗使用該型號三維形貌儀對線切割后的未噴丸樣、噴丸4min、6min、8min試樣分別進行掃描,每個試樣取兩個區域進行掃描以確保所測粗糙度數據的準確性。

1.5 電化學試驗及微觀組織觀測

電化學測試的試驗設備選擇型號為CHI660E,該設備具有高速處理器、放大器和轉換器等組成部分。實驗試樣的制備是將超聲噴丸后的試樣線切割為10x10mm的標準樣以備電化學腐蝕測試使用。進行電化學測試時,首先將4組試樣選取合適直徑的塑料管,對非測試面進行封裝,同時保證待測表面與溶液的接觸表面積為1cm2。提前連接好導線后倒入混合的環氧樹脂,將其放入干燥器內自然干燥,待環氧樹脂固化后即可進行下一階段的試驗。腐蝕溶液選擇濃度為3.5%NaCl溶液(PH=7.0),試驗采用傳統的三電極體系,其中進行試驗的試樣作為工作電極,飽和甘汞電極作為參比電極,鉑電極作為輔助電極。在CHI660工作站上,設置起始電位為-2.0V,腐蝕電壓范圍為-2.0～0V,掃描速度為3mv/s,靜止時間為2s。試驗數據采用Origin2022軟件進行分析。最后,使用掃描電鏡(SEM)對6061-T6鋁合金樣品進行掃描,并對其電化學測試后的腐蝕形態進行觀察和分析。

2 實驗結果與分析

2.1 維氏硬度測量結果

通過維氏硬度測試儀對4組試樣橫截面沿深度方向測量,為保證數據的準確性,在每一深度上測量3個點,將其平均值作為該深度的硬度值,得出的數據用Origin軟件處理得到試樣硬度點線圖,如圖2所示。

圖2 6061-T6鋁合金試樣硬度值和噴丸層深度的曲線

噴丸是一種冷處理工藝,能夠提高試樣的表層硬度、高硬度層厚度以及表層的塑性變形程度[10]。由圖2可知,未經噴丸處理的樣品,其硬度值基本上是穩定的;噴丸后的樣品在靠近噴丸表面處的硬度比未經處理的樣品有著顯著的提高,但隨著深度的增大,硬度值逐步下降,并在一定的深度后與未噴丸試樣的基體硬度值基本保持一致;對比不同噴丸時間處理的三組試樣,可以看出隨著超聲噴丸時間的增加,彈丸對材料表面不斷撞擊導致材料表面的硬度值隨之增加,其影響深度大約在600μm左右。

2.2 表面形貌及粗糙度測試結果

2.2.1 試驗結果

圖3為鋁合金試樣在三維形貌儀下掃描所得到的表面形貌平面圖。

(B1)未噴丸試樣表面形貌平面圖

(B2)噴丸4min試樣表面形貌平面圖

(B3)噴丸6min試樣表面形貌平面圖

(B4)噴丸8min試樣表面形貌平面圖

從圖3中可以看出經過超聲噴丸處理的試樣明顯區別于原始試樣,處理試樣的表面看起來更加粗糙。由于彈丸對試樣表面的不斷撞擊噴丸處理后的試樣表面出現大量凹坑,使噴丸試樣的粗糙度明顯高于原始粗糙度。因此,凹坑是增加試樣表粗糙度的關鍵因素。

圖4、圖5所示為三維形貌儀所掃描的6061-T6鋁合金噴丸樣與未噴丸試樣的表面二維與三維形貌圖。

(B1)未噴丸試樣表面二維形貌圖

(B2)噴丸4min試樣表面二維形貌圖

(B3)噴丸6min試樣表面二維形貌圖

(B4)噴丸8min試樣表面二維形貌圖

(B1)未噴丸試樣表面三維形貌圖

(B2)噴丸4min試樣表面三維形貌圖

(B3)噴丸6min試樣表面三維形貌圖

(B4)噴丸8min試樣表面三維形貌圖

通過圖4、圖5對比我們不難看出,噴丸4min后,樣品表面的超聲噴丸區域幾乎沒有未受到沖擊的地方,根據SAEJ2277標準可判斷,噴丸覆蓋范圍大于100%,而其他樣品的噴丸時間都在4min以上,因此,這3組試樣噴丸區域的覆蓋率都已達到100%。并且在圖5中經過對比可以直觀的看出隨著噴丸時間的增加,試樣表面的波峰和波谷的平均差值逐漸減小,說明試樣塑性變形逐漸降低,粗糙度隨之變化。

2.2.2 分析與討論

經過噴丸處理后,試樣表面由于丸粒的反復撞擊出現大小不一的凹坑,而正是這些凹坑的存在使噴丸后的樣品粗糙度得到顯著提高。隨著噴丸時間的增加,6061鋁合金的表面硬度會提高,這樣相同動能的丸粒撞擊試樣所產生的塑性變形就會減小,所以試樣表面凹坑逐漸分布均勻,凹坑直徑趨于穩定。

為了保障數據的準確性,每個試樣取兩個區域進行三維形貌掃描,然后每個區域掃描處取三個點的粗糙度求其平均值作為該工況下試樣的粗糙度。我們將未噴丸和其它參數相同不同時間下的試樣的表面粗糙度進行對比(見圖6)。

圖6 不同噴丸工況下6061-T6鋁合金表面粗糙度

(1)通過比較B1、B2兩組樣品,我們可以看出,經過噴丸處理后,鋁合金試樣的表面因受到彈丸沖擊而出現許多凹坑,從而使其表面的粗糙度急劇增大。

(2)通過比較B2、B3、B4三組樣品,我們可以看出,噴丸一定時間后粗糙度數值達到最大值,隨著試樣表面受到彈丸撞擊時間的增加,表面凹坑趨于平均且硬度增高塑性變形降低,所以試樣表面粗糙度開始降低并在之后趨于穩定。

2.3 極化曲線與微觀結構分析

未經過噴丸處理和經過不同噴丸參數處理過的三組6061鋁合金試樣,在濃度為3.5%的NaCl電解質水溶液中的動電位極化曲線經測量處理后如下圖7所示。從圖中可以直觀的看出未噴丸樣和噴丸處理的三組試樣的動電位極化曲線總體趨勢基本相同,均存在鈍化區,噴丸后樣品的鈍化區相對未噴丸樣品顯著增加,腐蝕電位發生明顯負移。

圖7 不同噴丸工況下6061-T6鋁合金的極化曲線對比

如下表2為電化學腐蝕試驗所得到的相關數據。從表2中可以清楚地看出,3組經過噴丸處理后的鋁合金試樣的自腐蝕電位都在向負值方向上移動,而其相對應的腐蝕電流密度也隨之降低;曹楚南、單繼強等[11-12]研究表明,腐蝕電流密度隨著溶液侵蝕速率的增加而增大。結果顯示,經過噴丸處理后的鋁合金樣品的耐腐蝕性能有了顯著的提升,但噴丸時間需要控制在合適的范圍內效果才能達到最優。

表2 不同噴丸工況下試樣電化學測試參數

鋁合金是一種高層錯能金屬[13],在超聲噴丸的工藝中,由于大量的彈丸撞擊試件表面,導致試件的表面出現了許多不規則的凹坑,并在一定的程度上產生了高應變塑性變形[14],材料的表層殘余應力和硬度增大。鋁合金試樣經噴丸處理后,其內部產生高密度位錯,晶粒得到細化,組織得到強化,從而可以在一定程度上防止腐蝕溶液對材料的滲透,減小了腐蝕電流密度和腐蝕速率,進而改善了材料的耐腐蝕性。

試樣在進行電化學實驗后,對電化學腐蝕后的4組試樣表面用掃描電鏡觀測,得到的電鏡圖如圖8所示。

(B1)未噴丸試樣表面電化學腐蝕形貌

(B2)噴丸4min試樣表面電化學腐蝕形貌

(B4)噴丸8min試樣表面電化學腐蝕形貌

從圖8中我們可以看出,4組被測試樣在經過電化學腐蝕后,表面區域出現不同程度的孔狀腐蝕坑,又稱點蝕。編號為B1的原始試樣大部分區域出現腐蝕坑,化學腐蝕現象最為嚴重,噴丸時間為6min的B3試樣出現少量腐蝕坑,腐蝕現象最弱,而噴丸8min中的B4試樣相對B3樣腐蝕現象又有所加深;對比極化曲線和下圖8得到以下結論。

(1)比較B1、B2兩個試樣的電化學腐蝕形貌可以看出由于超聲噴丸使試樣的表面產生納米晶粒,晶粒得到細化,提高晶界密度等減少了晶界對其耐蝕性的不利因素。晶界的增多阻礙內部裂紋的產生促進材料鈍化膜的產生,因此噴丸處理對6061鋁合金的耐腐蝕性能有一定程度的提升。

(2)比較B2、B3、B4,我們可以看出,隨著超聲噴丸時間的增加,試樣的耐腐蝕性先升高,后減弱。可見由于噴丸時間的增長,噴丸的粗糙度和硬度及殘余應力隨之變化影響試樣的耐腐蝕性,因此噴丸時間不宜過長。

3 結論

通過對未噴丸和不同噴丸工況的6061鋁合金試樣進行電化學腐蝕的相關試驗并對數據處理分析,得到以下結論。

(1)超聲噴丸處理能夠有效地改善6061-T6鋁合金的表面硬度,粗糙度,電化學腐蝕后腐蝕坑的面積和大小明顯降低。

(2)經過對4組試樣硬度、粗糙度及電化學等性能的比較,可以看出噴丸時間為6min的B3試樣表面組織及耐腐蝕性能達到最優,為超聲噴丸工藝中6061鋁合金試樣的最佳參數。

(3)噴丸處理后,由于彈丸的不斷撞擊,鋁合金表面晶粒得到細化,晶界增多阻礙內部裂紋的產生促進材料鈍化膜的產生,進而能夠一定程度上的防止腐蝕溶液對材料的滲透,改善材料的耐腐蝕性能。

(4)研究了不同噴丸時間對材料表面組織及耐腐蝕性能的影響,在一定的噴丸時間對鋁合金性能提升會達到最優,但此次試驗涉及參數具有局限性,后續課題會對此方向展開更加縝密細致的研究。