多方法研究固溶热处理后不同冷却速率的铝合金EN AW-2024的晶间腐蚀——金相学和涡流检测

《Materials and Corrosion》：Multi-Method Investigation of Intergranular Corrosion of the Aluminium Alloy EN AW-2024 With Different Cooling Rates After Solution Heat Treatment—Metallography and Eddy Current Testing

　　

可热处理铝合金（Al alloys）的晶间腐蚀（IGC）通常归因于金属间相（IMPs）的性质、频率和分布。研究人员特别关注时效硬化过程。在此过程中，IMPs在固溶退火、冷却和时效后，于过饱和铝固溶体中形成。迄今为止，只有少数研究探讨了冷却速率如何影响2xxx系列合金的IGC敏感性。因此，研究人员对EN AW-2024合金在固溶退火后采用不同冷却速率处理，并使用不同方法研究了其IGC敏感性和硬度。根据ISO 11846标准进行腐蚀试验测得的IGC深度（通过金相横截面的光学显微镜确定）与冷却速率高度相关，且与非破坏性涡流检测及电导率变化一致。作为质量控制中实际腐蚀测试的一部分，非破坏性涡流方法可为2xxx系列合金的IGC深度和程度提供有价值的见解。该方法是否也可用于其他铝合金系统，有待进一步研究。

**论文解读：多方法研究固溶热处理后不同冷却速率的铝合金EN AW-2024的晶间腐蚀**

**研究背景与问题**

铝合金因其轻质高强特性在轻量化结构中至关重要，其中2xxx系（Al-Cu-Mg）沉淀硬化型铝合金（如EN AW-2024）在航空航天领域应用广泛。然而，铜（Cu）和镁（Mg）等合金元素在提高强度的同时，也增加了材料对局部腐蚀（如点蚀和晶间腐蚀（IGC））的敏感性。IGC通过金属间相（IMPs）与贫铜基体之间形成的微电偶对而萌生和扩展，其进展通常比点蚀更快、更深，可能导致晶粒脱落，迅速降低机械强度。目前，评估IGC抗力的标准方法包括暴露试验和后续的金相横截面分析，但样品制备劳动强度大，且易引入人为误差。近年来，非破坏性涡流检测方法因其快速、无损的特点受到关注，但在铝合金IGC检测中的应用尚不成熟。此外，固溶热处理后的冷却速率对IMPs的形成、尺寸和分布有显著影响，进而影响IGC敏感性，但已有研究主要关注人工时效的影响，对冷却速率的作用关注不足。

**研究目的与意义**

本研究旨在评估基于涡流的方法在检测铝合金IGC中的适用性，特别是比较涡流检测与标准金相方法的可重复性和可靠性。同时，系统研究固溶热处理后不同冷却速率对EN AW-2024合金IGC敏感性的影响。论文发表在《Materials and Corrosion》。通过建立冷却速率与IGC深度、电导率变化之间的定量关系，有望提出一种快速、非破坏性的腐蚀深度评估方法，简化腐蚀测试流程。

**关键技术方法**

研究人员从挤压圆棒（直径30 mm）切取EN AW-2024（AlCu4Mg1）圆柱试样（厚度4 mm），化学成分经火花发射光谱仪测定（Cu 4.17%，Mg 1.66%，Mn 0.59%，其余为Al等）。固溶热处理（500°C，1 h）后，采用六种不同介质实现不同冷却速率：水淬（WQ，500 K/s）、聚合物溶液（10 wt.% P10，171.4 K/s；30 wt.% P30，72.7 K/s）、接触冷却（CC，46 K/s）、空冷（AC，2 K/s）和炉冷（FC，0.01 K/s）。试样经自然时效7天（T4状态）后，进行腐蚀测试（DIN EN ISO 11846:2008方法B），部分试样进行化学预处理（NaOH+HNO₃）。腐蚀后，通过金相横截面光学显微镜（Zeiss Axio Observer.Z1m）和扫描电镜（SEM，Prisma E）及能谱分析（EDX）表征腐蚀形貌和深度。同时，使用涡流电导率测量仪（SIGMATEST 2.070，480 kHz）和涡流检测装置（EddyCation HF，20 kHz–5 MHz）测量试样腐蚀侧和未腐蚀侧的电导率及信号变化。

**研究结果**

**3.1 热处理后的微观结构与材料性能**

通过硬度（HV5）和电导率监测自然时效过程发现：高冷却速率（WQ、P10、P30、CC）试样硬度快速上升至135–139 HV5，电导率下降至16.3–17.0 MS/m；低冷却速率试样（AC）硬度上升滞后，FC试样无自然时效行为（硬度约61 HV5，电导率恒定约24.8 MS/m）。SEM/EDX分析表明，WQ试样基体中Cu、Mg含量更高，有利于形成共格析出物（GP区）；而FC试样基体中Cu含量降低（从3.9 wt.%降至2.9 wt.%），形成粗大IMPs（S相Al₂CuMg），削弱了时效强化效果。

**3.2 腐蚀测试后的金相表征**

金相横截面观察显示：WQ试样仅出现孤立点蚀；P10和P30试样出现初期IGC；AC、CC、FC试样呈现严重IGC，且冷却速率越低，IGC深度和范围越大。腐蚀深度测量表明，平均腐蚀深度随冷却速率降低而增加，且化学预处理对腐蚀深度无显著影响。

**3.3 涡流检测与IGC电导率分析**

EddyCation系统在XY平面显示，腐蚀侧信号因IGC裂纹网络产生额外偏移，与裂纹检测类似，且高频信号更敏感。但5 MHz下FC信号弱于AC或CC，表明点蚀对浅层涡流影响可能更大。电导率测量显示，腐蚀侧电导率显著低于未腐蚀侧，且电导率变化量（Δσ）与平均腐蚀深度呈线性关系（R2>0.99），与是否预处理无关。该线性关系表明，通过测量电导率变化可快速、非破坏性地预测平均IGC深度。

**结论与讨论**

研究人员得出以下结论：EN AW-2024合金的IGC敏感性与冷却速率明确相关，冷却越快，IGC越轻微；尽管WQ、P10、P30和CC试样最终硬度相近，但其IGC敏感性不同，因此仅凭硬度无法判断腐蚀敏感性；预处理（NaOH+HNO₃）相比简单打磨（P180）无优势，可简化步骤；涡流检测可定性检测IGC损伤，且通过电导率差可高精度预测平均IGC深度。该线性关系避免了金相横截面选择的主观性，有望实现快速、非破坏性腐蚀测试。未来需在其他铝合金（如6061和7075）中验证该方法，并探索涡流方法用于IGC生长的原位/准原位分析。