浅论ZL205A高强度铸造铝合金的晶间腐蚀

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摘要： zl205a高强度铸造铝合金因其具有良好的机械性能在航空、航天领域获得广泛应用。但ZL205A铸造铝合金存在晶间腐蚀的敏感性问题未得到应有的重视。本文通过某船载设备上的ZL205A铸造铝合金受力构件发生晶间腐蚀的实例来说明ZL205A铸造铝合金T5、T6状态下存在严重的晶间腐蚀倾向，其在户外海洋性恶劣气候环境下，当表面防护层发生破损的情况下可能产生晶间腐蚀，具有一定的危害性。

Abstract： High strength cast aluminum alloy ZL205A has been widely used in the field of aeronautics and astronautics because of its good mechanical properties. But the sensitivity of cast aluminum alloy ZL205A in the presence of intergranular corrosion has not been given enough attention. This paper takes an example of cast aluminum alloy ZL205A inside shipborne equipment formed intergranular corrosion to illustrate that there is a serious intergranular corrosion tendency of casting aluminum alloy ZL205A at T5 and T6 state. In the marine outdoor weather conditions， when the surface protective layer of the ZL205A is damaged， the intergranular corrosion may be produced， that has certain harm.

关键词： ZL205A铸造铝合金；晶间腐蚀；防腐性能

Key words： cast aluminum alloy ZL205A；intergranular corrosion；anti-corrosion performance

中图分类号：TG27 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0166-03

0 引言

铸造铝合金是航空产品主要结构材料之一，适用于铸造生产形状复杂、比强度要求高、整体性能要求均一的零件。20世纪70年代，为能得到全面超越俄罗斯、美国的高性能铸造铝合金及我国的ZL204铝合金，并能代替一部分7A04和2A50铝合金锻件，同时具有较好的抗应力腐蚀性能的合金，北京航空材料研究院铝合金课题组成功研制出了ZL205A高强度铸造铝合金。1986年，在GB1173-86《铸造铝合金技术条件》中列入了ZL205A铸造铝合金。北京航空材料研究院ZL205A铸造铝合金具有强度高、加工性好、表面处理性好、耐腐蚀等综合性能，适用于制造承受较大载荷和较高屈服强度的复杂结构件，研制成功后在航空、航天领域获得广泛应用。近几年，因受设备重量要求的限制，有些单位的设计人员在没有深入了解ZL205A铸造铝合金防腐性能的基础上就将ZL205A铸造铝合金应用于地面及船载设备上，经过几年的使用，ZL205A铸造铝合金（T5、T6热处理状态下）逐步暴露了存在晶间腐蚀倾向、抗腐蚀性能差的问题。本文将用实例说明以期引起广大设计人员对金属材料晶间腐蚀问题的重视。对于长期工作在户外海洋性恶劣气候环境下的受力构件尽可能选用抗腐蚀性能优越的ZTiAl4（ZTA5）铸造钛合金。如因重量等多种因素限制而确需使用ZL205A铸造铝合金的，应选用T7热处理状态并进行Al/Et・A（S）20・Cs和油漆涂覆等表面防护处理。

1 ZL205A铸造铝合金的主要力学性能

在GB/T1173-2013《铸造铝合金》中，ZL205A高强度铸造铝合金有三种热处理状态，即T5、T6、T7状态。它们的力学性能见表1。

ZL205A高强度铸造铝合金T5状态具有良好的综合力学性能，T6状态具有最高的抗拉强度。因此许多设计人员在选用ZL205A高强度铸造铝合金时大多选用T5、T6状态。

2 ZL205A铸造铝合金的晶间腐蚀

晶间腐蚀，是局部腐蚀的一种。它是沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀，主要是由于晶粒表面和内部化学成分差异以及晶界杂质或内应力的存在而引起的。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。晶间腐蚀发生后，金属合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化，金属表面往往仍是完好的，但不能经受敲击，所以它是一种很危险的腐蚀。晶间腐蚀通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中，其在适当的环境下（如潮湿、盐雾、腐蚀介质等）才能显露出来。

铝合金晶间腐蚀的产生原因目前有三种理论解释：

①阳极性的晶界构成物（SDZ和/或沉淀相）与晶格本体的腐蚀电位差异形成电偶腐蚀，进而导致晶间腐蚀；

②SDZ和晶格的击穿电位（breakdown potential）差异导致晶间腐蚀；

③晶间沉淀相的溶解形成侵蚀性更强的闭塞区环境（occluded environment），导致连续的晶间腐蚀。

ZL205A高强度铸造铝合金属于铝铜系列合金（硬铝合金），其T5、T6状态下存在严重的晶间腐蚀倾向，抗腐蚀性能差；T7状态（过时效处理）可明显提高耐晶间腐蚀性能。

3 ZL205A铸造铝合金构件晶间腐蚀实例

某船载设备上的ZL205A铸造铝合金受力构件在使用若干年后出现裂纹。该构件热处理状态为T5，Ⅱ类铸件。该构件壁厚为7～8mm，上平面裂纹长约14cm，侧面裂纹长约5.5cm。切开裂纹剖面为贯穿性裂纹，如图1所示。

3.1 该构件的生产质量记录

查该构件生产质量记录，发现化学成分符合GB/T1173的规定，单铸试样的力学性能符合GB/T1173的规定。

3.2 本体试样化学成分检测和力学性能试验

①化学成分检测。

对开裂构件上的取样进行化学成分检测，发现其化学成分Ti、Mn、Cu含量均符合GB/T1173的规定。

②力学性能试验。

从开裂构件上相应部位切取三根本体试样对其进行拉伸试验，测得抗拉强度分别为290MPa、390MPa、330MPa，伸长率分别为2.5%、2.0%、4.5%。

GB/T9438-2013《铝合金铸件》中的第4.3.2.1条规定，对附铸试样或从铸件上切取的本体试样检验力学性能，三根试样的抗拉强度和伸长率的平均值应分别不低于GB/T1173规定值的75%和50%。允许其中一根试样的性能偏低：Ⅰ类铸件指定部位的抗拉强度和伸长率分别不低于规定值的70%和40%，Ⅰ类铸件非指定部位和Ⅱ类铸件分别不低于规定值的65%和40%。

拉伸试验的结果是：抗拉强度符合GB/T9438的规定，伸长率不符合GB/T9438的规定。

3.3 本体试样的晶间腐蚀测定

从开裂构件上切取三块6mm×25mm×40mm试样，按GB/T7998-2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》进行测定，结果为5级晶间腐蚀。

3.4 断口分析

3.4.1 宏观形貌

断口宏观形貌如图2所示，断口表面覆盖大量白色物质。

3.4.2 扫描电镜分析

从铸造铝合金构件断口切取一小部分试样，经超声波清洗后放入QUANTA200扫描电镜下进行观察，显微镜下的试样断口形貌如图3～图8所示，既有氧化物覆盖（腐蚀产物）形貌，也有泥纹状花样形貌。断口主要微观特征为沿晶。

3.4.3 能谱分析

对泥纹状花样形貌进行能谱分析，结果如图9所示，除基本元素外，还有S、Cl等腐蚀元素和大量腐蚀产物O元素。

3.4.4 金相分析

在断口上切取试样进行金相分析，如图10～图13所示，基体组织为α（Al）+化合物相，断口面及两侧面均有严重的晶间腐蚀。

3.4.5 断口分析结论

通过对该铸造铝合金ZL205A构件断口试样的扫描电镜分析、能谱分析、金相分析，说明该构件在使用过程中表面防腐不足，在工作中接触到含有SO42-和Cl-的物质后，产生晶间腐蚀，导致开裂。

3.5 日常生产中ZL205A铸造铝合金T5状态下的晶间腐蚀测定结果

连续选取6件日常生产中ZL205A铸造铝合金T5状态下的铸件附铸试样并对其进行晶间腐蚀测定，结果均为5级晶间腐蚀。

4 解决措施

该受力构件为电子设备的核心受力件，涉及整个设备的安全和可靠，针对发现的晶间腐蚀问题，已将该构件的材料由ZL205A铸造铝合金改为ZTiAl4（ZTA5）铸造钛合金。ZTiAl4（ZTA5）铸造钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性强的优点，是舰船专用耐腐蚀材料，已广泛成功运用在舰船上。该构件采用钛合金材料，彻底解决了防腐蚀问题，极大地提高了设备的机械可靠性。

5 结束语

金属材料的晶间腐蚀严重地影响了材料的使用寿命，其危害性非常大。从以上分析可知，ZL205A高强度铸造铝合金T5、T6状态下存在严重的晶间腐蚀倾向，其在户外海洋性恶劣气候环境下当表面防护层发生破损的情况下可能产生晶间腐蚀。ZL205A铸造铝合金不适合用于制造长期工作于户外海洋性恶劣气候环境下的受力构件，例如船载设备的重要受力构件。在海洋性恶劣气候环境下的受力构件，应尽量选用防腐蚀性能优越的舰船钛合金材料。

参考文献：

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