热轧工艺对镍铝青铜组织及性能的影响

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镍铝青铜(NAB)合金凭借其良好的综合力学性能以及优异的耐腐蚀性能,在海洋工程等方面获得了广泛应用。但是铸造镍铝青铜合金中存在的孔隙缺陷、成分偏析、组织不均匀等问题,会对其力学性能和耐蚀性能产生不利影响。另一方面,海上丝绸之路建设和海洋强国战略也对镍铝青铜合金的性能提出了更高的要求。热轧作为重要的塑性变形工艺之一,可以消除合金中的缺陷,使显微组织更加均匀,从而改善NAB合金的性能。本文以铸态镍铝青铜合金(Cu-9Al-10Ni-4Fe-1.2Mn)为基础,先对其进行均匀化退火处理,之后再进行热轧,在此基础上再以热轧变形量为变量,利用X射线荧光光谱仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子探针和X射线衍射仪等设备研究了均匀化退火处理、热轧处理及不同热轧变形量对镍铝青铜合金显微组织和性能的影响,并进一步揭示其影响机理,以此达到开发出综合性能更加优异的镍铝青铜合金的目的。本文首先研究了镍铝青铜合金在铸态、均匀化退火态和热轧态三种状态下的显微组织、力学性能及耐蚀性能,发现铸态NAB合金中包含α相、层片状κIII相和较为粗大的NiAl相,表现出最低的强度、硬度和最高的断后伸长率。均匀化退火处理使得α相内析出了大量的细小板条状κV相,并使共析κIII相尺寸增大。由于第二相强化,合金的强度硬度增加,而断后伸长率则明显下降。另外浸泡后未腐蚀κ相与周围腐蚀产物之间的界面也大幅增加,氯离子更容易深入腐蚀基体,导致腐蚀产物膜的保护性能变差。随后的热轧处理,使层片状κIII相和细小板条状κV相发生破碎球化,其含量有所减少且在α基体中均匀分布,热轧同时也使合金中形成大量位错和孪晶。相比于均匀化退火态合金,进一步热轧处理由于产生形变强化和第二相强化等效应,使得NAB合金的强度、硬度和断后伸长率同时提高,其中屈服强度提高了约84%。而κ相的破碎球化及含量的减少,也使κ相与腐蚀产物之间的界面减少且转变为不连续形态,氯离子难以继续深入腐蚀基体,进而大幅提高了NAB合金的耐蚀性。因此,热轧态NAB合金具有最佳的综合力学性能及耐蚀性能,其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为883 MPa、659 MPa和15.2%,在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡28天后的质量损失为1.86 g/m2。本文进一步研究了不同热轧变形量对NAB合金显微组织和耐腐蚀性能的影响。研究发现热轧变形量的增加,不会改变NAB合金中相的种类,但是会改变NAB合金中相的形态和数量。三种不同变形量NAB合金的显微组织均由α相、κIII相和κV相组成。在变形量较小时(40%),合金中大部分κIII相和κV相发生了破碎球化,但是仍有少部分κIII相和κV相保留着原先的层片状和板条状形态,数量较多的κV相在α相内呈现密集分布。随着热轧变形量增加至85%,α相明显沿热轧方向发生延长,κIII相和κV相的破碎球化程度不断增加,κV相的数量也有所减少。变形量的增加可以显著提高NAB合金在3.5 wt.%NaCl溶液中的耐腐蚀性能。在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡28天后,合金的质量损失由2.61 g/m2(变形量为40%)降低至1.76 g/m2(变形量为85%),NAB合金的耐腐蚀性能提高。这主要是由于变形量的增加,提高了NAB合金中κ相(κIII相和κV相)的破碎球化程度,使其在形态上变得更加不连续,数量上也有所减少,从而使κ相与腐蚀产物膜之间的界面减少且变得不连续,氯离子更难沿这些界面继续深入腐蚀合金基体,合金的耐腐蚀性能提高。
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