通过优化GP区域（ grain partitioning zones）和PFZs（ phase separation zones）来提高添加了Zn的老年化Al-Cu-Li-Mg合金的抗EXCO（电化学腐蚀）性能

Zn微合金化通过调控Al-Cu-Li-Mg合金亚稳态时效下的微观结构（高体积分数GP区与狭窄PFZ结合），显著提升抗层状腐蚀性能，同时保持高强度。

　　

Nian Liu|Yong-ji Ren|Xin Liu|Wei Zhou|Hao Cheng|Bang-guo Wu|Jian-mei Li|Chao Cai|Dan-yang Liu|Jin-feng Li

中南大学材料科学与工程学院，中国长沙410083

摘要

本研究探讨了锌（Zn）微合金化对Al-Cu-Li-Mg合金在未时效阶段剥离腐蚀行为的影响。通过拉伸试验、剥离腐蚀试验和电化学测量进行了研究，并结合XRD、SEM和TEM进行了微观结构观察。结果表明，在低温时效过程中添加Zn元素能够同时提高Al-Cu-Li-Mg合金的强度和抗剥离腐蚀性能。研究发现，含Zn的时效合金中，晶内GP区的体积分数增加以及晶界附近的PFZ区宽度减小，这种微观结构组合方式有助于抑制剥离腐蚀行为。实验表明，添加锌（Zn）延长了Guinier-Preston（GP）区的持续存在时间。无Zn合金表现出普遍的剥离腐蚀现象，而含Zn合金的晶界附近无沉淀区（PFZ）变窄，从而提高了抗剥离腐蚀能力。含Zn合金的腐蚀电位更高，腐蚀电流密度（Icorr）更低，电荷转移电阻（Rct）更大，有效减缓了剥离腐蚀过程。此外，含Zn合金的强度和伸长率也有所提高，表现出更优异的耐腐蚀性和机械性能。

引言

在现代航空航天应用中，Al-Cu-Li合金因其高比强度、高模量、高疲劳抗性和优异的耐腐蚀性而具有广泛的应用前景[1]、[2]。目前针对新型Al-Cu-Li合金的研究重点在于如何同时改善传统上被视为相互矛盾的性能。例如，在第三代高强度Al-Cu-Li合金中，大量研究关注于同时提高强度和耐腐蚀性的加工途径及其背后的机制，特别是晶间腐蚀的控制。然而，长期服役过程中的腐蚀扩展动力学往往被忽视。从机制上看，这两种现象似乎由不同的机制支配，导致宏观多性能耦合研究的结果与以往理解有所不同。

提高Al-Cu-Li合金的耐腐蚀性一直是研究热点。合金的微观结构，如沉淀物分布、晶界特性和溶质偏聚情况，直接决定了其腐蚀行为。热处理过程控制和微合金化设计可以精确调控合金的微观结构，从而有效提升耐腐蚀性能[3]、[4]、[5]。目前，关于Al-Li合金耐腐蚀性能的研究主要集中在通过微合金化策略来调节晶界微观结构[6]、[7]。例如，Fang等人[8]指出，添加Ag可以促进T?相和晶界颗粒的沉淀，从而增强合金强度；同时Ag还有助于形成致密的氧化膜。但Ag含量过高会扩大无沉淀区（PFZ），初期通过氧化膜抑制腐蚀，随后由于晶界处T?相的阳极溶解导致腐蚀沿亚晶界加速扩展，破坏了保护膜[4]、[5]。另有研究显示，晶界处的含Zn沉淀物可以降低晶界（GBs）与无沉淀区（PFZ）之间的电位差[9]。随着Zn浓度的增加，晶界处T?相（Al?CuLi）的粗化和不均匀分布会中断连续的腐蚀路径，从而提高耐腐蚀性[10]、[11]。

通过微合金化调节晶内微观结构也成为研究Al-Cu-Li合金腐蚀和力学行为的主要方法。然而，大多数现有研究未能同时实现机械性能和耐腐蚀性的协同改善。例如，Liu等人[12]发现长时间时效会降低合金的晶间腐蚀抵抗力；同样，提高时效温度会促进T?相的沉淀，虽然缩短达到峰值强度的时间，但会降低耐腐蚀性[13]。适量添加Mg可以显著改善合金的机械性能[14]、[15]。Semenov[16]发现，当Mg含量低于0.4%时，耐腐蚀性和机械性能均得到提升；但含量过高会降低腐蚀性能，这可能是由于Mg促进了S′相的析出，从而抑制了T?相和θ′（Al?Cu）相的形成[17]。尽管Zn作为微合金元素对Al-Cu-Li合金中沉淀物演变的具体影响尚不完全清楚，但它通常与Mg产生协同作用。经过人工时效后，合金微观结构主要由T?相组成[18]。关于Al-4Cu-1Li合金中添加Zn的研究大多表明，其对耐腐蚀性的提升有限，机械性能改善不明显，这主要是因为T?相和θ'相难以有效增强耐腐蚀性[19]。此外，大多数研究关注晶间腐蚀而忽视了剥离腐蚀。尽管这两种腐蚀机制相关，但本质上有区别，因此针对这一领域的研究仍显不足。

本文将研究未时效阶段添加Zn的Al-Cu-Li合金的机械性能和剥离腐蚀行为。经过这种热处理的合金样品将同时具备改善的机械性能和抗剥离腐蚀能力，这与预先设计的特定GP区和PFZ等微观结构特征密切相关。这种双重优化的微观结构配置能够同时提升机械性能和抗剥离腐蚀能力，为开发新型航空航天Al-Cu-Li合金加工技术提供坚实的微观结构调控依据。

材料与方法

本文设计了两种不同Zn含量的Al-Cu-Li-Mg合金，分别称为合金1#（含0.75% Zn）和合金2#（不含Zn）。这些合金在710°C的氩气保护气氛下通过熔炼和铸造制备，得到尺寸为250mm×110mm×60mm的锭材。合金的化学成分通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）测定，具体数据见表1。锭材随后被加工成块状。

力学测试

图1展示了两种合金经过T6-150°C热处理后的时效硬化曲线。随着时效时间的延长，这两种合金的拉伸强度和屈服强度逐渐增加。在整个T6-150°C时效过程中（时效时间从0到198小时），时效硬化趋势持续上升。

讨论

本研究发现，添加Zn的合金1#与不含Zn的合金2#在宏观腐蚀形态上相似，但在微观尺度上的剥离特征有所不同。这归因于晶内和晶界处的沉淀行为共同作用的结果。Zn的添加通过两种机制增强了合金的耐腐蚀性：首先，Zn的添加减缓了晶粒的粗化过程。

结论

本研究重新评估了Zn添加对Al-4.0Cu-1.0Li-0.6Mg合金在低温时效过程中的腐蚀行为的影响。结果表明，在未时效阶段，Zn的添加显著提高了合金的抗剥离腐蚀（EXCO）性能，同时保持了高强度。这一发现为Al-Li合金同时实现高强度和优异耐腐蚀性提供了新的微观结构设计策略。

作者贡献声明

Jian-mei Li：撰写、审稿与编辑、概念构思、实验研究。Bang-guo Wu：方法设计、软件开发、数据可视化。Dan-yang Liu：撰写、审稿与编辑、方法设计、实验研究、资金申请。Chao Cai：撰写、审稿与编辑、概念构思、资源协调。Jin-feng Li：撰写、审稿与编辑、概念构思、资源协调。Nian Liu：初稿撰写、实验研究、数据分析。Xin Liu：方法设计、数据分析、软件应用。Yong-ji Ren：方法设计

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（项目编号2023JJ30678）和中国国家自然科学基金（项目编号52261021）的支持。