再生航空铝合金热处理制度及腐蚀行为研究

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随着航空业的迅猛发展,高强铝合金用量持续增长,航空铝合金机加工废料数量庞大;与此同时,退役的飞机及航空器数量大。因此,废旧航空铝合金保级循环利用是再生铝合金领域重要的研究方向。由于废旧航空铝合金来源广、成分复杂,人们致力研发低成本、绿色、高效的再生航铝技术,以期得到成分、性能等达到航空铝合金标准的再生航铝,实现废旧航空铝合金的保级循环利用。为此,针对再生航空铝合金开展了多方面的技术探索。首先,在原料预处理上,开展了破碎、除漆、分选等技术,实现了原料精细化分选;其次,在合金熔炼上,研发了先进的熔炼设备从而降低金属烧损率,开发了熔体成分在线调控技术以实现成分精准控制,探索了熔体深度净化技术以实现超净再生航空铝合金的生产;最后,在热处理上,优化了热处理制度,实现了再生航空铝合金组织和性能的精准调控。本文围绕再生航空铝合金热处理制度及腐蚀行为进行了较深入地研究,探讨了再生航空铝合金熔体除铁机理及其技术,重点研究了再生7075铝合金板材的制备、组织演变规律、性能以及电化学行为,采用响应曲面法优化了再生2024铝合金的热处理工艺。主要的结论如下:(1)研究了 Fe含量对再生7075铝合金铸锭组织和腐蚀性能的影响规律以及硼砂除铁的理论和工艺。Fe含量影响再生7075铝合金的组织和富铁相形貌。当Fe含量增加时,富铁相由骨骼状转变成短棒状最后转变成长针状。Fe含量越高,合金的腐蚀速率越大,耐腐蚀性能越差。当Fe与B反应生成Fe2B时,吉布斯自由能小于零,反应可以自发地进行。反应生成的Fe2B粒子在再生7075铝合金熔体中的重力沉降过程符合斯托克定律。沉降速度主要受到熔体密度、熔体粘度、Fe2B密度和粒径的影响。本实验设计的硼砂熔剂对不同Fe含量的再生7075铝合金熔体均有一定的除铁效果,当熔体Fe含量为1.06 wt.%时,除铁率达到最高,为36.8%。(2)以废旧航空铝合金为原料,利用熔点的差异,通过控制熔炼温度去除高熔点的非铝杂质,对低于标准的元素以中间合金、单质金属的形式进行补充,可得到符合标准的再生7075铝合金铸锭,经挤压得到的型材经过均匀化、固溶和时效处理后,型材的成分更加均匀,晶粒更加细小,组织更加优化。再生7075-T6铝合金和再生7075-T73铝合金挤压板材的抗拉强度分别为558 MPa和538 MPa、屈服强度分别为487 MPa和463 MPa、延伸率分别为9.0%和9.4%,均高于ASTM标准。相较于T6单级时效,T73双级时效后的再生7075铝合金板材强度略有下降。再生7075-T6铝合金板材的腐蚀速度为0.25788毫米/年,耐盐雾腐蚀等级为二级。再生7075-T6铝合金板材中性盐雾腐蚀是从点蚀开始的,并逐渐发展成为剥蚀。(3)利用响应曲面法优化再生2024热轧板的热处理工艺。通过测试再生2024铝合金热轧板的抗拉强度、屈服强度及延伸率,研究多因素之间的交互作用。设计的三因素三水平的CCD模型,可预测出再生2024铝合金的热处理工艺参数对再生2024铝合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率的影响规律。优化的再生2024铝合金热处理工艺为497℃固溶98 min,淬火转移时间为4.8 s,时效温度为120℃,时效时间为24h。再生2024铝合金热轧板的抗拉强度为461.8 MPa、屈服强度为348.5 MPa、延伸率为12.8%。(4)借助动电位极化技术以及电化学交流阻抗谱,研究了再生7075-T6铝合金在NaCl溶液中的电化学行为。再生7075-T6铝合金不同pH的NaCl溶液中电化学行为不同。pH为3时,极化曲线主要反映了暴露的合金表面的电化学行为,活化过程影响着阴极反应和阳极反应。pH为7时,极化曲线主要反映了合金表面氧化膜的电化学特性。点蚀过程影响着阳极反应,而氧的扩散过程影响着阴极反应。在pH为3的NaCl溶液中,再生7075-T6铝合金的交流阻抗谱上只存在一个与电荷转移过程有关的容抗弧。在pH为7的NaCl溶液中,再生7075-T6铝合金交流阻抗谱上存在两个容抗弧,其中,一个是反映氧化膜电化学行为的中高频容抗弧,另一个是反映合金与氧化膜界面处电荷转移过程的低频容抗弧。再生7075-T6铝合金在NaCl溶液中的Epit与Cl-浓度(lg[Cl-])呈现线性负相关,即Epit随着Cl-浓度的增加而降低。再生7075-T6铝合金在自然环境和阳极极化生成的钝化氧化膜对点蚀过程的敏感性基本一致。在pH为3的NaCl溶液中,Cl-可以促进合金溶解过程的发生。在pH为7的NaCl溶液中,Cl-能够在一定程度上破坏合金表面的氧化膜。本研究实现了废旧航空铝合金的绿色保级循环利用,为再生航空铝合金产业化奠定了良好的基础。
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