摘 要： 采用扫描电子显微镜 (SEM)、 透射电子显微镜 (TEM)、 维氏硬度计和电化学试验等分析技术研究了 0.2wt%Zn 的添加对于 Al-Mg-Si 系合金组织、时效硬化、晶间腐蚀(IGC)性能的影响。结果表明，0.2wt%Zn 含量的合金峰值硬度为 125.8 HV，相较于 0.05wt% Zn 含量合金的硬度增加了 12.7 HV。 0.2wt%Zn 的加入，使得合金的 PFZ 变宽，晶界析出相尺寸也略有增加， 这导致了 Al-Mg-Si 系合金的抗晶间腐蚀能力的降低，0.2wt%Zn 含量的合金在峰时效状态下的腐蚀电流密度高于 0.05wt% Zn 含量合金的腐蚀电流密度。
关键词：Al-Mg-Si 合金;Zn 含量;显微组织;晶间腐蚀;力学性能
Al-Mg-Si 系铝合金作 为 可 热 处 理 合 金 因 其 具有较高的比强度、良好的成型性能、优良的腐蚀性能以及可焊接性等，被广泛应用于汽车制造业，成为汽车车身板材的首选材料[1-2]。 但该合金在应用过程中仍面临这方面的挑战，如需要进一步提高其耐蚀性、成型性以及在短时间烤漆过程中获得较快的时效响应等[3]。 有研究表明，在 Al-Mg-Si 系合金中添加 Cu 元素有助于提高合金的时效硬化响应， 但会牺牲合金的抗腐蚀敏感性，并且 Cu 含量越高，晶间腐蚀敏感性就越严重[4]。 而添加过量的 Si 会获得较好的力学性能，但由于 Si 粒子会在晶界析出，使得 PFZ(晶界无沉淀析出带)作为阳极发生溶解。 在 Al-Mg-Si 合金中添加过量的 Mg， 虽然会获得很好的晶间腐蚀性能，但是其时效硬化响应过低[5]。
相 对 于 Al-Mg-Si 系 合 金，Al-Zn-Mg 合 金 具 有很高的强度，被广泛应用于航空航天领域，其析出序列为 SSSS邛GP 区邛η'邛η(MgZn2)[6]，其中，η' 被认为是 Al-Zn-Mg 合金峰时效时的主要强化相。 由于 Zn 原子的原子半径和 Al 原子接近，晶格畸变低，因此可以通过在 Al-Mg-Si 合金中添加 Zn 元素， 在保证合金良好成型性的前提下， 改善合金的时效硬化响应。国内外学者对此进行了大量研究。Saito 等[7]的研究表明，Zn 元素的加入并 没有改变 Al-Mg-Si 合金的析出序列，仍是 SSSS邛GP 区邛β''邛β'邛β。 Cai 等[8]的研究指出在时效初期，Zn 元素的加入有助于产生快速、较高的时效硬化，同时降低导电率。 Ding 等[9]的研究认为，η-MgZn2 和 η 相在 GP(Ⅱ)区的析出改善了 Al-Mg-Si-Zn 合金的时效硬化响应。 Guo 等[10]认为，在 Al-0.6Mg-0.9Si-0.2Cu 加入的 Zn 元素可以作为 Mg-Si 析出相的形核位点，有利于形成细小而又致密的 Mg-Si 析出相，加速时效硬化。 以上的这些研究多侧重于 Zn 元素的加入对于合金组织和力学性能的影响，但对 Al-Mg-Si 合金晶间腐蚀性能的研究报道较少。
对于 6082 型铝合金(6082、6082A、6182 等)，当 Cu 元素的含量控制在小于 0.1wt%时具有优异的焊接性能，而 Zn 含量只要控制小于 0.2wt%，合金就具有优异的焊接性能。 在工业合金中，6082 型铝合金中 微 量 Zn 元 素 的 添 加 多 少 对 该 类 合 金 材 料 的 制备、生产、应用都带来困惑。 因此，探明 Zn 含量对 6082 型合金组织与性能的影响规律与作用机理，对于 Al-Mg-Si 系合金的成分设计、材料制备与应用均有重要的意义。
1 试验材料与方法
试验所用材料为厚度 3mm 的铝合金轧制板材，不同 Zn 含量的合金分别编号为 AA 和 AZ，其化学成分见表 1。 合金板材的固溶温度为 550℃，固溶时间为 60min，水淬后立即在 170℃下进行人工时效。 选用固溶后的试样经过机械抛光后在 ZEISSM10A 扫描电子显微镜(SEM)上进行观察。 在 Tecnai G2 20 ST 型透射电镜上进行 TEM 形貌观察。 采用电解双喷方法制备透射电镜试验试样， 电解液为 30%硝酸+ 70%甲醇，电解双喷温度为-25℃。 采用 200HVS-5 维氏硬度计分别测量两组试样的时效硬化曲线。 晶间 腐 蚀 敏 感 性 测 试 按 照 GB/T 7998-2005 进 行，在 ZEISS M10A 扫描电子显微镜上进行腐蚀形貌观察。动电位极化曲线的测定 在 Multi Autolab M204 上进行， 参比电极为饱和甘汞电极， 电解液为 3.5%NaCl 溶液，电位扫描速度为2mV/s。
2 试验结果与分析
2.1 合金的显微组织
图 1 所 示 为 合 金 AA、AZ 固 溶 淬 火 后 的 SEM 形貌。从图中可看出，合金基体中主要存在两种第二相，一种为白色的粗大相，多为条状和块状(图 1 中的 A、C)，在基体中均匀分布;另一种为黑灰色圆形相，数量极少(图 1 中 B、D)。 从表 2 的 EDS 分析结果可以看出，白色的粗大相多为 AlFeMnSi 相，黑灰色相为 Mg2Si 相[11]。 采用 Image J 图像处理软件，对合金 AA、AZ 的多个视场进行分析， 得到第二相粒子的面积分数分别是 1.29%、1.24%， 二者的差别不大。 可见，0.20 wt% Zn 含量加入对于固溶淬火后的第二相粒子影响不大。
采用透射电镜沿 [001]Al 衍射方向对合金 AA、 AZ 的显微组织进行观察， 图 2 为不同合金在峰值时效状态下的晶内析出相 TEM 形貌。 由图 2 可以看出，合金 AA、AZ 的析出相主要呈针状和点状，这两种形貌都属于 Mg-Si 相[12]，没有观察到 MgZn2 析出。 0.20wt%Zn 含量的合金 AZ 的晶内析出相比合金 AA 数量更多，尺寸也更小。
图 3 为不同合金在峰值时效状态下的晶界析出相的 TEM 形貌。 由于晶界两侧晶粒取向不同，选择测量取向为[001]Al 的晶粒的 PFZ 的半宽进行比较。合 金 AZ 的 PFZ 比 合 金 AA 的 宽 ， 这 是 因 为 0.20wt% Zn 含量的合金 AZ 在峰时效后晶内的析出相密度增加， 更多的溶质原子在析出相长大的过程中被消耗，使得溶质原子沿晶界偏析受到了阻碍，进而降低了 PFZ 宽化的概率[13]。
2.2 时效硬化
图 4 为合金 AA、AZ 在 170℃下的时效硬化曲线。从图中可看出，固溶淬火后，合金 AA、AZ 的硬度分别为 68.4 和 69.6 HV，这说明 Zn 含量对固溶强化并没有产生很大影响， 与图 1 中观察到合金 AA、AZ 固溶淬火后的 SEM 形貌结果相一致。 在时效初期，合金 AA、AZ 的硬度显著增大， 并且合金 AZ 的硬度增长率明显高于合金 AA 的。 在时效 7h 后，合金 AZ 达到峰时效状态，峰值硬度为 125.8HV。 合金 AA 在时效 9 h 后才达到峰时效，硬度值为 113.1HV。 之后随着时效时间的延长，进入过时效状态，两种合金的硬度以相似的趋势下降并逐渐趋于稳定， 此时合金 AZ 的硬度仍高于合金 AA 的硬度， 维持在 118 HV 左右，甚至高于合金 AA 的峰值硬度。 可见，较高 Zn 含量有助于加速合金的时效硬化的速率， 使得合金更快的达到峰时效，并且可以显著提高合金的硬度。
2.2 时效硬化
图 4 为合金 AA、AZ 在 170℃下的时效硬化曲线。从图中可看出，固溶淬火后，合金 AA、AZ 的硬度分别为 68.4 和 69.6 HV，这说明 Zn 含量对固溶强化并没有产生很大影响， 与图 1 中观察到合金 AA、AZ 固溶淬火后的 SEM 形貌结果相一致。 在时效初期，合金 AA、AZ 的硬度显著增大， 并且合金 AZ 的硬度增长率明显高于合金 AA 的。 在时效 7h 后，合金 AZ 达到峰时效状态，峰值硬度为 125.8HV。 合金 AA 在
2.3 晶间腐蚀性能
图 5 为合金 AA、AZ 在时效状态下的晶间腐蚀 SEM 形貌。 0.20wt%Zn 含量的合金 AZ 的抗腐蚀敏感性明显低于 0.05wt% Zn 含量的合 金 AA 的抗腐蚀 敏 感性。 合金 AA、AZ 的腐蚀深度分别为 85.6、 121.3μm，因此，较高 Zn 含量的加入降低了 Al-Mg-Si 系合金的晶间腐蚀性能。
图 6 为合金 AA、AZ 在不同时效状态下的动电位极化曲线。 采用 Tafel 外推法计算腐蚀电流密度 Icorr，其结果如表 3 所示。 在欠时效和峰时效状态下，合金 AA、AZ 的 Ecorr 都趋向于负电位， 峰时效状态下的 Ecorr 最负，Icorr 最大。 过时效状态下，合金 AA、 AZ 的 Ecorr 最趋向于正电位，Icorr 最小。 由于 Zn 含量的增加， 在相同时效状态下使得合金 AZ 的 Ecorr 变负，Icorr 增大。动电位极化曲线结果也反映了合金晶间腐蚀敏感性上升的现象， 腐蚀电位反映了合金的电化学腐蚀倾向。 Ecorr 越趋向于正电位，合金发生电化学腐蚀的倾向越小[14]。 腐蚀电流密度反映了合金的电化学腐蚀速率，Icorr 越大， 合金的腐蚀速率越快， 越不耐蚀。 合金 AA、AZ 的电化学特征与晶间腐蚀结果相一致， 说明 Zn 含量的加大明显降低了 Al-Mg-Si 系合金的晶间腐蚀性能。
3 结论
(1) Zn 含量的增加， 不改变 Al-Mg-Si 合金的析出序列， 但有利于合金获得更加细小致密的晶内析出相，从而提高合金的硬度。 0.20wt% Zn 含量的合金峰值硬度为 125.8 HV，相较于 0.05wt% Zn 含量的合金硬度增加了 12.7HV。
(2) 0.20wt% Zn 含 量 增 大 了 PFZ 的 宽 度 并 且加大了其与基体之间的电位差，导致 Al-Mg-Si 合金的抗晶间腐蚀能力降低。 峰时效状态下，0.20wt%Zn 含量的合金最大腐蚀深度为 121.3μm， 比 0.05wt% Zn 含量的增加了 35.7μm。 0.20wt% Zn 含量的合金在峰时效状态下的腐蚀电流密度为 0.595μA/cm2 ，而 0.05wt%Zn 含量合金的腐蚀电流密度为 0.199μA/cm2 。——论文作者：孙 琳 1 , 邓运来 2 , 池水清 2
参考文献:
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