铝合金中复合微合金化元素的协同强化效应及同步优化耐电化学腐蚀性的机理研究

开发适用于现代海洋舰船应用的高性能铝合金必须同时满足"耐蚀、强化"两大目标，即必须发现在可维持耐腐蚀性能基础上铝合金的强化途径。本项目拟以Sc、Er、Yb微合金化铝合金为基进行复合微合金化的元素选择和成分设计，制备不同组合和成分含量的三元合金及相应的对比二元合金；在不同热处理条件下进行硬度测试，探明铝合金中复合微合金化元素之间的交互作用类型，获得可产生协同强化的组合；利用SEM、TEM、HRTEM等分析手段，探求强化相的成分、组织的演变规律，从本质上认识协同强化的作用机理；进而，运用电化学方法，确定可同时提高耐电化学腐蚀的微合金元素组合；利用扫描开尔文探针力显微镜测试材料表面的形貌和电势变化，揭示复合微合金强化相与材料耐电化学腐蚀性能之间的内在关系。研究成果将开启通过复合微合金化方法实现铝合金"耐蚀、强化"的新途径，为研究开发新型船舰用高性能铝合金提供理论依据。

本项目研究了以Er、Yb 、Sc微合金化为基的复合微合金化铝合金的强化特性和耐蚀性能的演变规律和作用机理。首先研究了Al-Er、Al-Sc、Al-Zr二元合金及Al-Er-Zr、Al-Sc-Zr三元合金的时效强化行为的实验规律，并应用经典形核理论进行了深入分析。同时，通过电化学测试和扫描开尔文探针力显微镜测试研究了Er、Yb、Zr元素固溶和析出状态下对铝合金耐蚀性能的影响。.首先，研究了Al-Er、Al-Sc、Al-Zr二元合金及添加Zr的三元合金的时效强化行为，发现了协同强化、简单叠加两种类型的强化特点。其次，通过测量高温电阻率法推得Er、Yb 在铝中的固溶度曲线，进而分析各合金体系的形核过程。二元体系Al-Er及Al-Yb合金中ΔS和ΔH分别为3.0±0.1k、3.7±1.0k和-0.86±0.01eV/atom、-0.93±0.07 eV/atom。根据获得的Er、Yb在铝中完整的固溶度曲线及扩散速率，考虑Gibbs-Thomoson效应对形核驱动力的影响，估算了Al3Yb、Al3Er、Al3Sc的临界形核半径及静态形核率，发现和Al3Sc相比，Al3Er、Al3Yb在更宽的温区保持较小的临界形核半径和较大的静态形核率。而三元体系中Al-Er-Zr 和Al-Yb-Zr合金的固溶度测量显示，每增加0.01at.%的Zr，Er的固溶度下降0.0038at.%，Yb的固溶度下降0.0021at.%。计算显示固溶度的降低会显著提高析出相的形核驱动力，使其临界形核半径更小，静态形核率更大。.其次，研究了Al-Er、Al-Yb、Al-Er-Zr合金的耐均匀电化学腐蚀性能随着成分以及微观组织变化的规律。发现在固溶状态下，随着元素含量的增加，Al-Er合金的腐蚀电位负向移动，钝化电流密度增大，而Al-Yb合金的变化趋势相反。与传统认知的第二相析出会带来在强化的同时耐蚀性能下降特点不同，发现了Al-0.025Er(at.%)在350℃等温时效过程中，钝化电流密度先减后增，最后趋于平稳的特点，在350℃/15min工艺下其力学和耐均匀腐蚀性能同时优化。而Al-0.013Er-0.065Zr (at.%)三元合金在375℃/100h工艺下合金的的力学和耐电化学腐蚀性能同时优化。这些独特的发现显示，通过复合微合金化，在一定的工艺条件下可以实现铝合金耐蚀性能和力学性能的同步优化。