Nghiên cứu tổ chức, tính chất ăn mòn của hợp kim nhôm tương đương mác B95 sau hóa già một cấp T6

Trong bài viết này, tổ chức và tính chất ăn mòn của hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu tương đương mác B95 sau hóa già nhân tạo một cấp T6 được nghiên cứu. Tổ chức tế vi được quan sát bằng: Kính hiển vi quang học (OM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC, TÍNH CHẤT ĂN MỊN CỦA HỢP KIM NHƠM TƯƠNG ĐƯƠNG MÁC B95 SAU HĨA GIÀ MỘT CẤP T6 Ngơ Minh Tiến1,2*, Nguyễn Thị Vân Thanh1, Phạm Tuấn Anh2, Đinh Văn Long2, Nguyễn Nhật Huy2, Phùng Thị Tố Hằng1 Tóm tắt: Trong báo này, tổ chức tính chất ăn mịn hợp kim nhơm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu tương đương mác B95 sau hóa già nhân tạo cấp T6 nghiên cứu Tổ chức tế vi quan sát bằng: kính hiển vi quang học (OM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Tính chất ăn mòn bề mặt, ăn mòn biên giới hạt đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM G34-01, ASTM G110-92 thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi kỹ thuật số Hợp kim sau hóa già nhiệt độ 120 oC, thời gian giữ nhiệt 24 cho tổ chức tế vi hạt gồm nhiều pha giả ổn η’ tiết kích thước nhỏ vài nm, mật độ cao, phân bố đồng đều, biên giới pha ổn định η nằm liên tục Kết nghiên cứu ăn mòn cho thấy, tốc độ ăn mòn bề mặt 258,55 (mg/dm2.ngày đêm), độ sâu ăn mòn tinh giới 56,42 μm Từ khóa: Hợp kim nhơm hệ Al-Zn-Mg-Cu; Hợp kim 7075; Hợp kim B95; Hóa già nhân tạo MỞ ĐẦU Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu sử dụng ngày rộng rãi, công nghiệp hàng hải, vận tải, hàng không (chiếm đến 66 % vật liệu kết cấu máy bay A380),… [1] Đặc biệt lĩnh vực quân sự, hợp kim dùng để chế tạo chi tiết tên lửa, ống phóng, chi tiết đạn,… [2] Mác hợp kim B95 (OCT) tương đương mác 7075 (AA) sử dụng phổ biến hệ hợp kim Để nâng cao tiêu lý tính cho hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu, biến tính cách hợp kim hóa thêm số nguyên tố hợp kim như: Zr, Ag, Ti, B, Ni, Sc,… [3] sau đúc tiến hành bước xử lý nhiệt, tùy thuộc vào mục đích khác mà lựa chọn chế độ xử lý nhiệt phù hợp Q trình xử lý nhiệt hóa già gồm giai đoạn: αq bão hịa → vùng GP (GPI, GPII) → η’ (S’, T’) → η (S, T) → tích tụ [4] Hợp kim nhơm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu chế tạo Xí nghiệp Cơ khí 59/Z127, Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng có thành phần tương đương mác B95 (hay 7075), ký hiệu X59 sau nhiệt luyện truyền thống (T6) cho độ bền tính cao Tuy nhiên, hệ hợp kim hóa già tăng bền tính thường dẫn đến độ bền ăn mòn giảm, ảnh hưởng đến tính chất làm việc khả ứng dụng [2] Việc đánh giá khả chống ăn mòn như: ăn mịn bề mặt, ăn mịn biên giới,… sau hóa già chế độ T6 hợp kim sản xuất Xí nghiệp Cơ khí 59/Z127 chưa nghiên cứu Do đó, báo chúng tơi tiến hành nghiên cứu tổ chức, tính chất ăn mịn cho hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu sản xuất nhà máy Z127 sau hóa già cấp T6 nhằm so sánh với mác tương đương nước THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị, vật tư nghiên cứu - Lò nung Nabertherm nhiệt độ 30 ÷ 3000 oC, độ xác ± oC Đức; - Lị hóa già DHG-9240B nhiệt độ 30 ÷ 300 oC, độ xác ± 0,1 oC Trung Quốc; - Máy cắt mẫu Struers tốc độ cắt từ 100-400 vòng/phút Đan Mạch; - Máy đánh bóng Beta hãng Buehler, Mỹ, tốc N M Tiến, …, P T T Hằng, “Nghiên cứu tổ chức, tính chất … hóa già cấp T6.” Nghiên cứu khoa học công nghệ c) Thời gian 26,5 h a) Thời gian hóa già 20 h b) Thời gian 24 h Hình Ảnh tổ chức tế vi hợp kim hóa già nhiệt độ 120 oC, thời gian giữ nhiệt khác với độ phóng đại 500 lần Quan sát ảnh TEM hình nhận thấy, hợp kim sau xử lý nhiệt chế độ T6 thu tổ chức gồm nhiều pha nhỏ mịn kích thước cỡ ÷ nm, mật độ cao nằm hạt, pha giả ổn định η’ đóng vai trị quan trọng đến hóa bền hợp kim [3], ngồi ra, cịn có số pha kích thước lớn cỡ 15 ÷ 20 nm pha ổn định η (hình 2a) Trên biên giới hạt pha ổn định η kích thước lớn nằm liên tục (có pha khoảng 50 nm) Dọc theo biên giới hạt chưa thấy xuất vùng trống tiết pha (PFZ, hình 2b) Điều cho thấy, mẫu T6 hóa già 24 h chưa có tương tích tụ pha ổn định η thành pha có kích thước lớn Hình Ảnh TEM mẫu hóa già T6 (nhiệt độ 120 oC, thời gian giữ nhiệt 24 h): a) Trong hạt; b) Trên biên giới hạt 3.2 Khảo sát độ bền ăn mòn Sau lựa chọn chế độ hóa già T6 nhiệt độ 120 oC, thời gian giữ nhiệt 24 h cho tiêu tính cao [3], tiến hành đánh giá độ bền ăn mịn mẫu chế độ hóa già 3.2.1 Độ bền ăn mòn bề mặt Mẫu sau ngâm dung dịch thử nghiệm ăn mòn bề mặt theo tiêu chuẩn ASTM G34-01 Kết thể hình Qua quan sát ảnh bề mặt toàn mẫu nhận thấy, mẫu trước thử nghiệm có bề mặt phẳng, nhẵn sáng bóng sau ngâm vào dung dịch thử ăn mịn bề mặt, tồn bề mặt mẫu chuyển sang màu đen, có nhiều vị trí bị bong tróc lớn Trên bề mặt ảnh hiển vi kỹ thuật số thấy xuất nhiều vết nứt, có vị trí có vết nứt rộng Điều khẳng định mẫu bị ăn mịn tồn bề mặt, mức độ ăn mòn lớn, theo phân mức đánh giá tiêu chuẩn mức EC (bong tróc nghiêm trọng) Kết đánh giá tốc độ ăn mòn mẫu theo phương pháp giảm khối lượng xác định theo công thức [7]: m  m1 m  o  (1) S t S t Trong đó: - Khối lượng trước sau ngâm mo = 56463 mg, m1 = 55945,9 mg; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 423 Hóa học – Sinh học – Mơi trường - Diện tích bề mặt kim loại S = 0,5 x x = dm2; Thời gian thử nghiệm t = (ngày đêm) Theo cơng thức tính được: 56463  55945,9 T   258,55 (mg/dm2.ngày đêm) 1x Như vậy, tốc độ ăn mịn hợp kim sau hóa già truyền thống T6 thử ăn mòn dung dịch đánh giá ăn mòn bề mặt theo tiêu chuẩn G34-01 258,55 (mg/dm2.ngày đêm), mức độ ăn mòn tương đương mác 7075 [3] a) Ảnh bề mặt mẫu trước thử nghiệm (X1) b) Ảnh bề mặt sau thử nghiệm (X1) c) Ảnh hiển vi kỹ thuật số (X200) Hình Ảnh mẫu hợp kim xử lý chế độ T6 trước sau thử khả chống ăn mòn bề mặt 3.2.2 Độ bền ăn mòn biên giới Đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu T6 theo tiêu chuẩn ASTM G110-92 Kết thể hình Trên ảnh phân tích mức độ ăn mịn biên giới hình nhận thấy, mẫu hóa già nhân tạo T6 thử nghiệm dung dịch đánh giá ăn mịn biên giới có độ sâu bị ăn mòn 56,415 μm (ảnh SEM) đến 56,42 μm (ảnh hiển vi kỹ thuật số), hai giá trị đo tương đồng Điều giải thích biên giới hạt pha ổn định η có kích thước lớn cỡ 50 nm, nằm liên tục, vùng trống tiết pha dọc theo biên giới hạt chưa xuất (hình 2) a) Ảnh SEM (X250) b) Ảnh hiển vi kỹ thuật số (X200) Hình Ảnh đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim chế độ hóa già truyền thống T6 (hóa già 120 oC, 24 h) 424 N M Tiến, …, P T T Hằng, “Nghiên cứu tổ chức, tính chất … hóa già cấp T6.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mặt khác, biên giới hạt có điện âm (-1,05 V) đóng vai trị anơt, cịn có điện (-0,75 V), dương đóng vai trị catơt [8] Do đó, ngâm vào dung dịch chất điện ly xuất dạng ăn mịn galvanic, biên giới hạt bị ăn mịn, khơng bị ăn mòn Biên giới hạt nhỏ liên tục nên mức độ hịa tan anơt (do hình thành nhiều cặp pin ăn mòn galvanic), diễn mạnh Hơn nữa, nguyên tử hydro sinh trình ăn mịn điện hóa góp phần phá hủy biên giới hạt [9] Đây nguyên nhân gây ăn mòn phá hủy biên giới hạt mẫu T6 KẾT LUẬN Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già T6 phù hợp sau: hóa già nhiệt độ T = 120 oC, tốc độ nâng nhiệt oC/phút, thời gian giữ nhiệt τgn = 24 h Tổ chức thu hạt pha có kích thước cỡ μm, cịn có vùng GP nhiều pha giả ổn định η’ nhỏ mịn cỡ ÷ nm, mật độ cao phân bố số pha ổn định η kích thước lớn từ 15 ÷ 20 nm Trên biên giới hạt pha ổn định η nằm liên tục có kích thước gần 50 nm, dọc theo biên giới hạt chưa xuất vùng trống tiết pha Cơ tính hợp kim cao, độ cứng đạt 90,5 HRB, độ bền kéo 585,3 MPa, độ giãn dài tương đối 13,6 % Đánh giá mức độ ăn mòn: bề mặt bị ăn mịn tồn bộ, đơi chỗ bị bong tróc, mức độ ăn mòn bề mặt EC đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM G34-01, tốc độ ăn mòn bề mặt 258,55 (mg/dm2.ngày đêm) Độ sâu ăn mòn biên giới lớn thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM G110-92 h là: 56,42 μm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Y Hunsicker, “Development of Al-Zn-Mg-Cu alloys for aircraft”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol 282, No 1307, Rosenhain Centenary Conference: The Contribution of Physical Metallurgy to Engineering Practice, 1976, pp 359-376 [2] Nguyễn Khắc Xương, “Vật liệu kim loại màu”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [3] G E Totten, D.Scott MacKenzie, “Handbook of Aluminum: Volume Physical Metallugy and Processes”, Marcel Dekker, Inc 270 Madison Avenue, New York, NY 10016, 2003 [4] N Saunders (2004), “The modelling of stable and metastable phase formation in multi-component Al-alloys” Materials Forum; pp 96-106 [5] ASTM G34-01, “Standard Test Method for Exfoliation Corrosion Susceptibility in 2XXX and 7XXX Series Aluminum Alloys (EXCO Test)”, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018 [6] ASTM G110-92, “Standard practice for evaluating intergranular corrosion resistance of heat treatable aluminum alloys by immersion in sodium chloride + hydrogen peroxide solution”, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015 [7] Trịnh Xuân Sén (2006), “Ăn mòn bảo vệ kim loại”, NXB Đại học quốc gia Hà Nội [8] R Su, Y Qu, X Li, J You, R Li, “Effect of Retrogression and Reaging on Stress Corrosion Cracking of Spray Formed Al Alloy”, Materials Sciences and Applications, 7, 2016, pp 1-7 [9] R.G Song, W Dietzel, B.J Zhang, W.J Liu, M.K Tseng, A Atrens, “Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement of an Al–Zn–Mg–Cu alloy”, Acta Materialia, Volume 52, Issue 16, 2004, pp 4727-4743 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 425 Hóa học – Sinh học – Mơi trường ABSTRACT A STUDY ON THE MICROSTRUCTURE, CORROSION PROPERTIES OF THE ALUMINUM ALLOY EQUIVALENT B95 AFTER ONE-STEP AGING T6 In this paper, the microstructure and corrosion properties of the high strength aluminum alloy Al-Zn-Mg-Cu after one-step aging T6 were studied The microstructures of the aluminum alloy were characterized by Optical Microscope (OM), Transmission Electron Microscope (TEM) The exfoliation, intergranular corrossion properties were investigated according to ASTM G34-2001, ASTM G11092 by Scanning Electron Microscope (SEM) and digital microscope The results indicated the artificial aged alloy T6 at 120 oC for 24 hours reached in the grain the many fine metastable phases η’ precipitate with size a few nanometers, high density and homogeneously distributed; On the grain boundary, the precipitates are metastable phases η continuously distributed The exfoliation corrosion rate 258.55 (mg/dm2.day night); The depth of intergranular corrosion 56.42μm Keywords: Al-Zn-Mg-Cu alloy; 7075 alloy; B95 alloy; Artificial Aging Nhận ngày 15 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội; Viện Hóa học – Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: tienngominh.klh@gmail.com 426 N M Tiến, …, P T T Hằng, “Nghiên cứu tổ chức, tính chất … hóa già cấp T6.” ... giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim chế độ hóa già truyền thống T6 (hóa già 120 oC, 24 h) 424 N M Tiến, …, P T T Hằng, ? ?Nghiên cứu tổ chức, tính chất … hóa già cấp T6. ” Nghiên cứu khoa học... bền ăn mòn Sau lựa chọn chế độ hóa già T6 nhiệt độ 120 oC, thời gian giữ nhiệt 24 h cho tiêu tính cao [3], tiến hành đánh giá độ bền ăn mịn mẫu chế độ hóa già 3.2.1 Độ bền ăn mòn bề mặt Mẫu sau. .. sinh q trình ăn mịn điện hóa góp phần phá hủy biên giới hạt [9] Đây nguyên nhân gây ăn mịn phá hủy biên giới hạt mẫu T6 KẾT LUẬN Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già T6 phù hợp sau: hóa già nhiệt