Ảnh hưởng chế độ quá hóa già đến tính chất ăn mòn của hợp kim nhôm tấm hệ Al-Zn-Mg-Cu - Ngô Minh Tiến

Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. M. Tiến, N. T. V. Thanh, P. T. T. Hằng, “Ảnh hưởng chế độ tấm hệ Al-Zn-Mg-Cu.” 136 ẢNH HƯỞNG CHẾ ĐỘ QUÁ HÓA GIÀ ĐẾN TÍNH CHẤT ĂN MÒN CỦA HỢP KIM NHÔM TẤM HỆ Al-Zn-Mg-Cu Ngô Minh Tiến1, 2*, Nguyễn Thị Vân Thanh1, Phùng Thị Tố Hằng1 Tóm tắt: Tính chất ăn mòn của hợp kim nhôm tấm hệ Al-Zn-Mg-Cu chế tạo tại nhà máy Z127 sau khi xử lý nhiệt quá hóa già được nghiên cứu trong bài báo này. Tổ chức bề mặt sau khi thử nghiệm các phương pháp đánh giá ăn mòn khác nhau được quan sát bằng: kính hiển vi quang học (OM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi kỹ thuật số. Kết quả chỉ ra với việc tăng thời gian hóa già cấp 2 sẽ làm tăng độ bền ăn mòn. So sánh với chế độ hóa già T6, độ bền ăn mòn của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu xử lý nhiệt chế độ T76 được cải thiện nhiều. Có thể đề xuất công nghệ xử lý nhiệt chế độ quá hóa già cho tấm hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu như sau: hóa già cấp 1 tại 120 oC trong 10 h, hóa già cấp 2 tại 165 oC trong 20 h. Tấm hợp kim nhôm sau khi xử lý nhiệt có khả năng chống ăn mòn bề mặt tốt, tốc độ ăn mòn bề mặt 203,60 (mg/dm2.ngày đêm); độ sâu ăn mòn tinh giới khi thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM G110-1992 trong 6h là: 7,33 μm. Từ khóa: Hợp kim nhôm; Hợp kim 7075; Hợp kim B95; Hóa già; Quá hóa già. 1. MỞ ĐẦU Hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu thuộc hệ hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao gồm có 7049, 7050, 7075, được ứng dụng khá phổ biến trong các ngành công nghiệp quan trọng như: hàng hải, kỹ thuật hàng không, vũ trụ, thân van máy bay, bộ gá máy bay, cánh máy bay, khung máy bay, ống phóng, động cơ, chi tiết tên lửa và các thiết bị quân sự khác [1, 2]. Ngoài ra, hệ hợp kim nhôm này còn được ứng dụng nhiều trong dân dụng như: khuôn thổi nhựa, dụng cụ thể thao, giầy trượt tuyết, các chi tiết yêu cầu độ bền, độ cứng cao [3], Mác hợp kim B95 (Nga) tương đương mác 7075 (Mỹ) được sử dụng phổ biến nhất trong hệ hợp kim này. Để nâng cao tính chất của hợp kim B95 cần phải xử lý nhiệt hóa già, quá trình hóa già có thể gồm: αquá bão hòa → vùng GP (GP1, GP2) → η’ (S’, T’) → η (S, T) → tích tụ [4]. Tùy theo chế độ hóa già mà có thể không có các giai đoạn trung gian. Hệ hợp kim B95 có độ bền khá cao, nhưng nhạy cảm ăn mòn, đặc biệt là ăn mòn ứng suất, ăn mòn tinh giới. Do đó, nghiên cứu chế độ hóa già phù hợp để cải thiện khả năng chống ăn mòn cho hệ hợp kim này đóng vai trò quan trọng. Trong bài báo này, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu để lựa chọn chế độ xử lý nhiệt tối ưu cho các tấm hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao B95 sản xuất tại nhà máy Z127 để cải thiện khả năng chống ăn mòn. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Các thiết bị, vật tư nghiên cứu - Lò nung Nabertherm nhiệt độ 30-3000 oC của Đức; - Máy cắt mẫu Struers tốc độ cắt từ 100-400 rpm của Đan Mạch; - Máy đánh bóng kim loại của Mỹ, tốc độ quay 400-500 rpm; - Giấy ráp hạt SiC có cấp độ hạt khác nhau từ 400 đến 2000; - Bột đánh bóng mẫu Al2O3, kích thước cỡ 0,03-0,05 µm. 2.2. Chế tạo mẫu 2.2.1. Chế tạo mẫu nghiên cứu Mẫu nghiên cứu là các tấm hợp kim nhôm độ bền cao được sản xuất tại nhà máy Z127 tương đương B95 (Nga), thành phần nêu trong bảng 1. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 137 Bảng 1. Thành phần mẫu hợp kim của Z127. Mẫu hợp kim Thành phần hợp kim nhôm, % Fe Si Mn Ni Cr Al Cu Mg Zn Hợp kim tại Z127 0,338 0,094 0,390 0,006 0,181 89,286 1,836 2,103 5,668 - Mẫu tấm hợp kim có kích thước 150  50  4 mm; - Quy trình hóa già 1 cấp T6: Hóa già với tốc độ nâng nhiệt 5 oC/phút, giữ nhiệt độ 120 ºC trong 24 giờ; - Quy trình hóa già 2 cấp T76: + Hóa già cấp 1 với tốc độ nâng nhiệt 5 oC/phút, giữ nhiệt độ 120 ºC trong 10 giờ; + Hóa già cấp 2 với tốc độ nâng nhiệt 5 oC/phút, giữ nhiệt độ 165 ºC trong 10 giờ (ký hiệu T761); giữ nhiệt độ 165 ºC trong 15 giờ ( ký hiệu T762); giữ nhiệt độ 165 ºC trong 20 giờ (ký hiệu T763). 2.2.2. Đánh giá ăn mòn bề mặt - Đánh giá ăn mòn bề mặt theo tiêu chuẩn G34-01. Thành phần dung dịch: 1 lít dung dịch (234 g NaCl (4M) + 50 g KNO3 (0,5M) + nước cất + 6,3 mL HNO3 (70% khối lượng)), pH ≈ 4, nhiệt độ 25 ± 3 oC (77 ± 5 oF). Ngâm mẫu kích thước 50 × 100 mm trong 48 giờ [2, 5]. Rửa sạch bề mặt mẫu, chụp ảnh hiển vi kỹ thuật số VHX-6000, Keyence, Nhật Bản với phóng đại 200 lần. - Đánh giá tốc độ ăn mòn kim loại được xác định bằng phương pháp trọng lượng, công thức sau [6]: 1 . . om m m S t S t      (1) Trong đó: ρ - tốc độ ăn mòn; mo - trọng lượng mẫu kim loại trước khi thí nghiệm (mg); m1 - trọng lượng mẫu kim loại sau thí nghiệm (mg); S - diện tích bề mặt kim loại là 20,51= 1 dm2; t - 2 ngày đêm. 2.2.3. Đánh giá ăn mòn tinh giới - Đánh giá độ bền ăn mòn tinh giới theo tiêu chuẩn ASTM G110-1992. Thành phần dung dịch: 1 lít dung dịch (57g NaCl + 10 mL H2O2 (30%) + nước cất), nhiệt độ 30 ± 3 oC [7]. Ngâm mẫu có kích thước 8  6  4 mm trong 6 giờ. - Mài, đánh bóng bề mặt, làm sạch, lau khô và chụp ảnh bề mặt mẫu trên máy AXIO A2M phóng đại 200 lần, chụp hiển vi điện tử quét trên máy JSM-7001FA FE-SEM hãng JEOL, hiển vi kỹ thuật số phóng đại 200 lần. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đánh giá ăn mòn bề mặt Các mẫu sau khi thử nghiệm đánh giá ăn mòn bề mặt theo tiêu chuẩn G34-01 được chụp ảnh toàn bộ bề mặt và chụp ảnh bằng kính hiển vi kỹ thuật số phóng đại 200 lần. Kết quả được thể hiện trên hình 1, hình 2. Quan sát ảnh bề mặt toàn bộ mẫu nhận thấy, mẫu trước khi thử nghiệm có bề mặt phẳng, nhẵn và sáng bóng, nhưng sau khi ngâm vào dung dịch thử ăn mòn bề mặt, bề mặt mẫu đã xuất hiện màu đen, tuy nhiên mức độ là khác nhau. Đối với mẫu T6, bề mặt đã Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. M. Tiến, N. T. V. Thanh, P. T. T. Hằng, “Ảnh hưởng chế độ tấm hệ Al-Zn-Mg-Cu.” 138 chuyển sang màu đen hoàn toàn, có nhiều vị trí bị bong tróc lớn. Trên bề mặt ảnh hiển vi kỹ thuật số thấy xuất hiện nhiều vết nứt, có những vị trí có vết nứt khá rộng. Điều này khẳng định mẫu đã bị ăn mòn trên toàn bộ bề mặt, mức độ ăn mòn là khá lớn. a) Mẫu T6 b) Mẫu T761 c) Mẫu T762 d) Mẫu T763 Hình 1. Ảnh bề mặt các mẫu xử lý nhiệt chế độ khác nhau sau thử nghiệm ăn mòn theo tiêu chuẩn G34-01. a) Mẫu T6 b) Mẫu T761 c) Mẫu T762 d) Mẫu T763 Hình 2. Ảnh hiển vi kỹ thuật số bề mặt các mẫu xử lý nhiệt chế độ khác nhau. Đối với các mẫu chế độ T76 cũng bị ăn mòn, trên bề mặt có lớp ăn mòn mỏng, có các lỗ nhỏ nằm trên toàn bộ bề mặt, tuy nhiên mức độ ăn mòn với các mẫu chế độ T76 khác nhau là không giống nhau. Mẫu T761 có bề mặt bị ăn mòn nhiều nhất, bề mặt xuất hiện một số vị trí bị ăn mòn mạnh (màu đen). Mẫu T763 có bề mặt bị ăn mòn ít nhất, trên bề mặt vẫn còn nhiều chỗ còn sáng. Trên ảnh hiển vi kỹ thuật số với độ phóng đại 200 lần, thấy đã xuất hiện vết nứt trên bề mặt, các vết nứt còn nhỏ và chưa nhiều so với mẫu hóa già T6. Điều này chứng tỏ ăn mòn bề mặt là nhỏ hơn nhiều so với mẫu T6. Để làm rõ hơn khả năng chống ăn mòn, đã tiến hành đánh giá mức độ ăn mòn hợp kim theo công thức 1. Kết quả được thể hiện trong bảng 2. Bảng 2. Đánh giá tốc độ ăn mòn hợp kim các mẫu chế độ T6 và T76. STT Loại mẫu Khối lượng ban đầu (mg) Khối lượng sau ngâm 48h (mg) Tốc độ ăn mòn ρ (mg/dm2.ngày đêm) 01 T6 56463,0 55945,9 258,55 02 T761 56485,5 56068,1 208,70 03 T762 56367,0 55958,3 204,35 04 T763 56477,6 56070,4 203,60 Qua bảng 2, đánh giá tốc độ ăn mòn hợp kim nhận thấy, mẫu hóa già chế độ T6 có tốc độ ăn mòn lớn hơn so với các mẫu T76. Các mẫu T76 có tốc độ ăn mòn giảm khi thời gian hóa già cấp 2 tăng. Như vậy, mẫu hóa già chế độ 1 cấp T6 có mức độ ăn mòn bề mặt lớn hơn so với mẫu quá hóa già T76. Các mẫu hóa già có khả năng chống ăn mòn bề mặt cao khi tăng thời gian hóa già cấp 2. Nghiên c Tạp chí Nghi 3.2. Đánh giá ăn m 1992 các m cách tương v hợp kim B95 sau khi hóa gi phân tích m 56,42 T762, T763 l mẫu hóa gi nền, v tượng tích tụ lớn xảy ra khi hóa gi tượng quá hóa gi theo biên gi âm đi biên gi dung d hiện dạng ăn m mòn, n mòn tinh gi biên gi mạnh h kim Al thời gian hóa gi Ti Kết quả đánh giá ăn m Kế Kết quả chụp ảnh hiển vi kỹ thuật số để đánh giá độ bền ăn m Như v ến h cắt dọc theo vết ăn m ới độ phóng đại 200 lần v a) M Hình 3. t qu a) μm, l ùng tr ện lớn nhất ( ới hạt, c ịch có chất điện ly hay dung dịch ăn m ền có độ âm điện nhỏ h ới hạt nhỏ v ơn so v -Cu ứu khoa học công nghệ ành đánh giá kh ẫu T6 ả Mẫu T6 Hình 4. ậy, để tăng khả năn - ên c ẫu T6 v chụ ức độ ăn m ớn h ần l à ch ống tiết pha dọc theo bi ới hạt xuất hiện v ới, ăn m Mg ứu KH&CN Ảnh kim t p ả ơn nhi ư ế độ T6 tr òn n òn gavalic, biên gi ới T76. -Zn s à ch òn tinh gi à T76. K nh SEM đánh giá ăn m Ảnh SEM đánh giá mức độ ă ợt l à nên các pha trên biên gi -1,05 V), vùng tr ền có độ âm điện l òn theo biên gi à liên t ế độ T763 l à 19,67 ản xuất tại Z127, cần phải kéo d òn ti ương đánh giá m x òn tinh gi ều so với các mẫu T76. Độ sâu ăn m ên biên gi ục n quân s ả năng chống ăn m ết quả đánh giá mức độ ăn m òn b b) b) M ử lý chế độ T6 ( à ch g ch ới ề mặt tại vị trí ăn m nh gi M xử lý chế độ T6 ẫu μm; 15,32 ùng tr ơn đóng vai tr ên m à phù h ự, Số à ảnh SEM. ới đ ẫu T761 T761 ế độ T6 v ới nhận thấy, mẫu chế độ T6 có độ sâu ăn m à t ới hạt có độ âm điện lớn nhất n ống ăn m ới hạt l ên gi ại chế độ T6 n ống tiết pha. Nh ống tiết pha có độ âm điện ( à nh ới hạt. Mặt khác, bề rộng của v ức độ ăn m ợp. 65, 02 ược quan sát bằng ảnh kim t òn tinh gi μ ức độ ă 250) và T76 ( à T76 đư m và 7,33 à các pha ới hạt gần nh ới hạt có kích th ỏ nhất chỉ l ò là catot. òn b - 20 òn tinh gi và T76 ( n mòn tinh gi òn thì ngay trong m òn c ề mặt cũng nh 20 òn b n mòn tinh gi ớ c) M c) M i th ợc thể hiện tr μm. ày). Ngư ư đ ủa hợp kim chế độ T6 lại c ề mặt mẫu, ẫu T762 200). ể ẫu T762 Đi ổn định ư chưa xu ã bi à (- Đây chính là nguyên nhân gây ra ăn ài th ới theo ti òn tinh gi hiệ 1000). ều n 0,75 V) ời gian hóa gi n trong ới mẫu hợp kim B95 òn tinh gi η ợc lại, các mẫu T76 do hiện ước lớn, nằm gián ết, tiết pha bi ư ăn m ới mẫu hợp kim B95 òn tinh gi ày đư nằm gần nh ất hiện (do ch - [8]. Do đó, khi ngâm vào ên đóng vai tr êu chu ới đ quan sát ương hình ên 0,85 V) nh ẫu hợp kim n ùng tr òn tinh gi ư hình ợc giải thích l ẩn ợc thực hiện bằng hình d) 4. d) M 5. ới các mẫu T761, ên gi ống tiết pha nhỏ, à c ASTM G110 ảnh hi 3. M ẫ ới của các mẫu Trên các ư liên t ỏ h ới cho hệ hợp ấp 2, lựa chọn ẫu T763 u T763 òn tinh gi ưa có hi đo ới hạt có độ ày đ ò anot b àng tr ển vi kim à do khi ục tr ạn, dọc ơn so v 139 ảnh ã xu ị ăn ở n - ới ên ện ới ất ên Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. M. Tiến, N. T. V. Thanh, P. T. T. Hằng, “Ảnh hưởng chế độ tấm hệ Al-Zn-Mg-Cu.” 140 a) Mẫu T6 b) Mẫu T761 c) Mẫu T762 d) Mẫu T763 Hình 5. Ảnh hiển vi kỹ thuật số đánh giá mức độ ăn mòn tinh giới mẫu hợp kim B95 xử lý chế độ T6 và T76. 4. KẾT LUẬN Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đã đưa ra được chế độ hóa già 2 cấp phù hợp cho hợp kim nhôm tấm sản xuất tại nhà máy Z127 như sau: hóa già cấp 1 tại nhiệt độ 120 oC, giữ nhiệt trong 10 h, hóa già cấp 2 tại nhiệt độ 165 oC, giữ nhiệt trong 15 h, nguội bằng nước. Hợp kim sau khi xử lý nhiệt chế độ T763 có độ bền ăn mòn bề mặt cao; tốc độ ăn mòn bề mặt 203,60 (mg/dm2.ngày đêm); độ sâu ăn mòn tinh giới theo tiêu chuẩn ASTM G110-1992 trong 6h là: 7,33 μm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Williams JC and Starke EA Jr, “Progress in structural materials for aerospace systems”. Acta Materialia. 51(19), 2003, pp 5775-5799. [2]. Jun-Zhou Chen, Guo-Ai Li, Xin Cai, Jian-Tang Jiang, Wen-Zhu Shao, Li Yang and Liang Zhen, “Microstructure evolution and the resulted influence on localized corrosion in Al-Zn-Mg-Cu alloy during non-isothermal ageing”, Materials, 11(5), 2018,720. [3]. Nguyễn Khắc Xương, “Vật liệu kim loại màu”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003. [4]. Zang Jin-Xin, Zhang Kun, Dai Sheng-long, “Precipitation behavior and properties of a new high strength Al−Zn−Mg−Cu alloy”, Transactions of Nonferrous Metal Society of China 22, 2012, pp 2638-2644. [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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 141 [6]. Trịnh Xuân Sén, “Ăn mòn và bảo vệ kim loại”, NXB Đại học quốc gia Hà Nội, 2006. [7]. 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. [8]. Ruiming Su, Yingdong Qu, Xiang Li, Junhua You, Rongde Li, “Effect of retrogression and reaging on stress corrosion cracking of spray formed Al alloy”, Materials Sciences and Applications, 7, 2016, pp. 1-7. ABSTRACT EFFECT OF OVER-AGING ON CORROSION PROPERTY OF THE PLATE ALUMINUM ALLOY Al-Zn-Mg-Cu The corrosion properties of the Al-Zn-Mg-Cu plate aluminum alloy which was manufactured in Z127 and treated over-aging were researched in this paper. The microstructures of surface after testing different corrosion methods were characterized by optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and digital microscope. Results indicated that with the increasing of second aging time, the corrosion resistance increased greatly. Compared with the T6 treated alloy, the corrosion resistance of the T76 treated Al-Cu-Mg-Cu alloy was improved greatly. We chose the optimal over-aging heat treatment as followings the first aging 120 oC for 10 h, second aging 165 oC for 15 h. The plates of aluminum alloy after this technology achieve the surface corrosion resistance well; surface corrosion rate 203.60 (mg/dm2.day night); the depth of grain boundary corrosion when tested according to ASTM G110-1992 in 6 hours is 7.33 μm. Keywords: Aluminum alloy; 7075 alloy; B95 alloy; Aging; Over-aging. Nhận bài ngày 08 tháng 11 năm 2019 Hoàn thiện ngày 15 tháng 11 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 02 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội; 2Viện Hóa học – Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. *Email: tienngominh.klh@gmail.com.