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电力运输用Al-Cu-Mg合金耐蚀性能调控及机理研究

史伟宁  
【摘要】:在电力运输领域中Al-Cu-Mg合金被广泛使用。在我国江浙等东南沿海地区,高温高湿高盐分的极端苛刻的服役环境使Al-Cu-Mg合金接线板发生了大面积腐蚀,严重威胁变电站的安全运行,如何提高Al-Cu-Mg合金的耐腐蚀性能成为了当前电力运输领域关注的焦点。在Al-Cu-Mg合金中,时效析出相诱发的腐蚀敏感性较强,其在合金晶界与晶内的析出行为直接影响耐晶间腐蚀性能和耐点蚀性能,因此调控析出成为Al-Cu-Mg合金在高温高湿高盐分的环境中耐腐蚀性能提升的关键。目前Al-Cu-Mg合金中调控析出的主要方法包括合金化、时效处理和形变热处理等,但合金化的方法成本偏高,资源消耗大,所以研究合金化以外的其它析出调控工艺更具环保和经济价值。本文研究了时效处理、形变热处理和脉冲电流处理三种工艺下析出相的析出行为对Al-Cu-Mg合金耐腐蚀性能的影响,具体内容如下:对于时效处理工艺,研究发现在190℃下随着时效时间增加,晶内析出相逐渐长大。当时效时间达到6h时,晶内析出相尺寸大于10nm,此时晶内产生了 GPB-Ⅱ区,晶格畸变严重,导致合金点蚀敏感性急剧增强。而时效时间小于6h时,合金点蚀敏感性较小,但是由于晶界上析出相连续分布,晶界上容易形成连续的腐蚀通道,耐晶间腐蚀性能较差。先后采用190℃/20h峰时效、280℃/20min回归处理及190℃/20min再时效处理时:晶界上析出相逐渐长大,发生断续分布,晶间腐蚀敏感性降低;晶内析出相经历了长大、回溶及再析出,使得析出相的尺寸变为小于10nm,晶格畸变程度相对较小,点蚀敏感性较小。研究结果表明,时效处理工艺可同时提高Al-Cu-Mg合金的耐晶间腐蚀和耐点蚀性能,但该工艺步骤和参数繁琐复杂,需进一步探索短流程析出调控工艺。对于形变热处理工艺,研究发现固溶处理后施加30%冷轧变形随后自然时效时,晶界上连续分布的析出相难以形成,减小了合金晶界与周围铝基体之间的电势差异,降低了腐蚀反应的驱动力,使得晶间腐蚀敏感性降低。冷轧变形没有促进晶内尺寸大于10nm的析出相析出,而析出相诱发的腐蚀敏感性大于GPB区、T相及T相与位错的缠结结构,这使得合金点蚀敏感性降低。研究结果表明,形变热处理工艺可使Al-Cu-Mg合金的耐晶间腐蚀和耐点蚀性能同时提高,且该工艺较时效处理工艺流程更短,但该工艺要求固溶处理后立即冷轧,而现场很难满足固溶处理和冷轧的无缝衔接,所以该工艺在工业生产中的实施难度较大,需要进一步探索流程短、易于在工业生产中实施的析出调控工艺。对于脉冲电流处理工艺,研究发现参数为0.5V、0.1kA的脉冲电流作用于190℃/1h欠时效态Al-Cu-Mg合金5min时,晶界上相邻析出相的间隙处电流密度较大,原子的扩散通量增加,而析出相的溶解过程是电自由能降低的过程,晶界上部分析出相回溶至铝基体,导致连续分布的析出相发生断续分布,降低合金的晶间腐蚀敏感性;晶内尺寸1nm的GPB区未长大,点蚀敏感性较小。在190℃/20min下再时效处理时,由于固溶原子能够继续往晶界上扩散,晶界上断续分布的析出相以析出相为核心发生长大,仍呈断续分布,连续的腐蚀通道仍不能形成,晶间腐蚀敏感性很小;在合金晶内析出了尺寸小于10nm的析出相,由于晶格畸变程度相对较小,点蚀敏感性很小。研究结果表明,通过脉冲电流处理实现了合金在保证最大硬度的同时,耐晶间腐蚀及耐点蚀性能同时提升,该工艺流程短,在工业生产中易于实施,避免了时效处理工艺繁琐复杂、形变热处理工艺难于在工业生产应用的问题,为改善Al-Cu-Mg合金的耐蚀性能提供了新的工艺方法与思路。


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