1420鋁鋰合金腐蝕性能試驗研究

孫祚東

（中國特種飛行器研究所， 湖北 荊門 448035）

飛機在沿海地區(qū)服役，受含有氯化物、硫化物等有害介質(zhì)的潮濕環(huán)境影響，鋁合金（主要是7A04、2A12等高強度鋁合金）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很強的腐蝕敏感性。與其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕情況更為突出。迄今為止，現(xiàn)役飛機的重大腐蝕故障主要發(fā)生在鋁合金結(jié)構(gòu)中，主要腐蝕形式為點蝕和剝落腐蝕[1，2]。

近20年來，現(xiàn)代航空材料取得了較快發(fā)展，雖然鈦合金及復合材料在飛機上的應用比例逐漸增加，但鋁合金材料仍占有重要地位。尤其是新型鋁合金材料，如高性能的鋁鋰合金在國外已得到廣泛應用。

鋁鋰合金具有密度低、比強度和比剛度高等特點，同時具有良好的耐蝕性，綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的高強度鋁合金。用鋁鋰合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高強度鋁合金，可減輕結(jié)構(gòu)重量8%～15%。目前國外鋁鋰合金在航空領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛應用，包括俄羅斯的蘇27、蘇36、米格29、米格33，歐洲EH101直升機、臺風戰(zhàn)斗機和A330、A340客機，以及美國F–16、F–22、C–17等。我國已經(jīng)研制出1420、2090、2195等牌號的鋁鋰合金。研究鋁鋰合金的耐腐蝕性能，掌握其腐蝕規(guī)律，有助于鋁鋰合金在飛機上的推廣應用。

1 試驗方法的確定

鹽霧試驗是評價鋁合金材料腐蝕性能的常用方法，一般包括中性鹽霧試驗、酸性鹽霧試驗和銅加速乙酸鹽霧試驗，其中銅加速乙酸鹽霧試驗是腐蝕環(huán)境最嚴酷試驗方法。經(jīng)驗證明[3]，銅加速乙酸鹽霧試驗不僅具有明顯的加速腐蝕作用，使試驗歷程大大縮短，而且能夠較好地再現(xiàn)飛機鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷特征。這是由于在鋁合金點蝕的形成過程中，氧化性金屬離子Cu2+在陰極進行還原，可起有效的去極化作用，使金屬的腐蝕電勢上升至點蝕臨界電勢以上而促進蝕核的長大，形成蝕孔。Cu2+經(jīng)還原沉積成銅后，銅顆粒與鋁合金基體構(gòu)成了數(shù)量眾多的腐蝕電池，銅和基體分別為電偶的陰極和陽極，形成間接電偶腐蝕，從而促進了腐蝕的發(fā)展。

本次試驗采用銅加速乙酸鹽霧試驗方法對鋁鋰合金腐蝕性能進行研究。

2 加速腐蝕試驗

2.1 試件制備

試驗所用的材料為1420鋁鋰合金裸型材，經(jīng)除油→打磨→封樣→試樣編號→除油→去離子水沖洗→干燥等程序制備。

2.2 試驗設(shè)備

鹽霧試驗采用DCTC1200P鹽霧腐蝕試驗箱（以下簡稱鹽霧試驗箱，意大利ACS公司生產(chǎn)），其溫度最大誤差范圍為±0.5℃；鹽霧沉降量最大誤差范圍為±0.01ml/h。

2.3 試驗

2.3.1 腐蝕溶液的配制

用蒸餾水配置濃度為（50±5）g/l氯化鈉溶液；然后加入氯化銅（CuCl2.H2O），使其濃度為（0.26±0.02）g/l；最后加入適量的冰乙酸，調(diào)節(jié)pH值在3.1～3.3之間。

2.3.2 試驗方法

參照國外標準ISO 3770進行鹽霧試驗。試樣放置于惰性材料制成的試樣架上。鹽霧自由降落在試件表面，直接噴射。鹽霧的沉積速度為經(jīng)24h噴霧后，每80cm2面積上為（1～2）ml/h；試驗溫度：50℃。試驗暴露時間以出現(xiàn)明顯剝蝕特征為準，試驗實際共進行35天，分別在第3、6、9、12、16、26、35天取樣進行腐蝕深度測量。

2.3.3 腐蝕深度測量

由于腐蝕關(guān)鍵件的最大腐蝕深度是決定飛機日歷壽命的重要因素，因此采用腐蝕深度表征試驗件腐蝕損傷程度。具體方法是將待測試件的腐蝕測量區(qū)通過1 mm厚的銑刀平行截成5段，然后使用150#、360#、600#水砂紙和800#金相砂紙依次對斷口橫截面進行打磨，拋光制成金相試片。然后采用SZX12顯微鏡及MCS－7200計算機圖像分析系統(tǒng)測量腐蝕深度。

3 試驗結(jié)果

在鹽霧試驗3天后試驗件出現(xiàn)輕微的點蝕，隨著試驗時間增加（6天→9天→12天→16天）點蝕逐漸加重，蝕坑變大，一些點蝕坑連接在一起，試驗到26天后試件出現(xiàn)輕微剝蝕現(xiàn)象，試驗到35天時，試件出現(xiàn)了較明顯的剝蝕特征。在加速腐蝕不同時間金相試片照片見圖1。

可以將腐蝕深度發(fā)展過程可以歸納為3個階段：

圖1 1420鋁鋰合金加速腐蝕不同時期金相試片照片

3.1 點蝕階段

腐蝕處于初始階段，腐蝕深度隨試驗時間增加而增加，其特征為點蝕。點蝕又稱為小孔腐蝕、孔蝕或坑蝕，它是由于金屬表面在拉應力或化學物質(zhì)作用下，因保護層遭到破壞并出現(xiàn)局部穿透，使金屬基體直接暴露在腐蝕環(huán)境中形成局部腐蝕小孔并向縱深發(fā)展的一種腐蝕破壞形式。

3.2 過渡階段

腐蝕處于轉(zhuǎn)化階段，腐蝕深度變化不大，其特征是由點蝕向完全剝蝕過渡。由于飛機鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕情況存在很大的隨機性和偶然性，同一結(jié)構(gòu)件的不同部位腐蝕發(fā)展狀況并不均衡，往往是點蝕、剝蝕并存。在蝕孔內(nèi)部，腐蝕以沿著晶間橫向擴展為主，縱向發(fā)展速度較慢。

3.3 剝蝕階段

腐蝕處于快速發(fā)展階段，腐蝕深度隨試驗時間增加而迅速增加。剝蝕實際上是鋁合金材料的一種選擇性強、形態(tài)特殊的晶間腐蝕。當晶間腐蝕發(fā)生時，在晶界及其附近會產(chǎn)生嚴重的腐蝕，而晶粒內(nèi)部的腐蝕卻很輕微，腐蝕沿著晶粒邊界呈網(wǎng)絡(luò)狀發(fā)展。腐蝕的結(jié)果會使晶粒間的結(jié)合力遭到破壞，從而使金屬的強度和塑性大幅度降低。當腐蝕發(fā)展到一定程度，由于不溶性腐蝕產(chǎn)物的體積大于所消耗的金屬體積，從而產(chǎn)生“楔入效應”而導致剝蝕。

4 銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下腐蝕深度隨時間的變化規(guī)律

在銅加速乙酸鹽霧腐蝕環(huán)境下，1420鋁鋰合金的腐蝕深度隨著腐蝕時間而增加，呈現(xiàn)出較明顯的規(guī)律性?？杉僭O(shè)二者之間用關(guān)系式d=atb來描述，其中a和b為擬合參數(shù)。采用最小二乘法進行擬合，曲線擬合結(jié)果見表1。

擬合結(jié)果表明，腐蝕深度隨時間變化的相關(guān)性系數(shù)均滿足相關(guān)性要求，說明在銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下1420鋁鋰合金腐蝕深度變化表達式d=atb合理。

表1 腐蝕深度變化表達式

5 1420鋁鋰合金與2A12鋁合金抗腐蝕性能對比分析

采用相同的試驗方法和設(shè)備，對2A12鋁合金進行加速腐蝕試驗[2]，銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下1420鋁鋰合金與2A12鋁合金腐蝕深度隨時間變化規(guī)律見圖2所示。

2A12鋁合金型材是一種飛機主體結(jié)構(gòu)材料，也是一種具有代表性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，在軍用飛機上應用非常廣泛。目前，我國多種軍用飛機結(jié)構(gòu)的主要承力件，包括中央翼大梁、對接型材、油箱艙桁條、中央翼和外翼長桁等，均由這種型材加工而成。通過比較可看出，在銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下，1420鋁鋰合金和2A12鋁合金具有相似的腐蝕發(fā)展規(guī)律，但1420鋁鋰合金的腐蝕發(fā)展速度明顯低于于2A12鋁合金。因此，可認為在銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下，1420鋁鋰合金抗腐蝕性能優(yōu)于2A12鋁合金。

圖2 銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下1420鋁鋰合金與2A12鋁合金腐蝕深度隨時間變化規(guī)律

6 結(jié)論

銅加速乙酸鹽霧腐蝕環(huán)境是目前國內(nèi)外公認的較嚴酷的典型腐蝕環(huán)境，通過對1420鋁鋰合金在銅加速乙酸鹽霧環(huán)境下腐蝕性能研究，以及與2A12鋁合金腐蝕性能的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1420鋁鋰合金具有一定的剝蝕敏感性，但抗腐蝕性能明顯優(yōu)于2A12鋁合金。

1420鋁鋰合金腐蝕發(fā)展過程包括點蝕階段、過渡階段和剝蝕階段，可以用腐蝕深度表征腐蝕發(fā)展規(guī)律。

銅加速乙酸鹽霧試驗不僅具有明顯的加速腐蝕作用，從而使試驗歷程大大縮短，而且能夠較好地再現(xiàn)飛機鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷特征。

[1] 陳群志.腐蝕環(huán)境下飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命技術(shù)體系研究[D].北京航空航天大學博士學位論文，1999.

[2] 孫祚東.軍用飛機典型鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷規(guī)律及加速腐蝕試驗方法研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，2005.

[3] 陳群志，孫祚東，韓恩厚.典型飛機結(jié)構(gòu)加速腐蝕試驗方法研究[J].裝備環(huán)境工程，2004（2）：13－16.

[4] 陳群志，崔常京，孫祚東.LY12CZ鋁合金腐蝕損傷的概率分布及其變化規(guī)律[J].裝備環(huán)境工程，2005（3）：1－6.