鹽水環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金暴露面積對(duì)腐蝕行為的影響

徐火平,劉慧叢,朱立群,劉建中,葉序彬,胡本潤

(1北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院空天材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;2北京航空材料研究院,北京100095)

鹽水環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金暴露面積對(duì)腐蝕行為的影響

徐火平1,劉慧叢1,朱立群1,劉建中2,葉序彬2,胡本潤2

(1北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院空天材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191;2北京航空材料研究院,北京100095)

對(duì)2A 12和7B04兩種高強(qiáng)鋁合金在不同暴露面積時(shí)的點(diǎn)腐蝕特征進(jìn)行了研究,并引入表面腐蝕損傷度對(duì)鋁合金的腐蝕損傷進(jìn)行量化表征,通過圖像處理得到的腐蝕形貌二值圖來計(jì)算其腐蝕損傷度。結(jié)果表明:在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,這兩種鋁合金材料發(fā)生點(diǎn)腐蝕與其暴露面積有關(guān),而且存在著一個(gè)發(fā)生點(diǎn)腐蝕的暴露面積臨界值。隨著試樣暴露面積的增大,鋁合金的表面腐蝕損傷度呈增加趨勢(shì);當(dāng)暴露面積小于發(fā)生點(diǎn)腐蝕的暴露面積臨界值時(shí),則沒有明顯的點(diǎn)腐蝕特征;另外,鋁合金材料不同該暴露面積臨界值也不同。

腐蝕;暴露面積臨界值;圖像處理;鋁合金;損傷度

高強(qiáng)鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天等結(jié)構(gòu)零件。其中A l2Cu2M g(2XXX)和A l2Zn2M g2Cu(7XXX)是高強(qiáng)鋁合金常用的兩個(gè)主要系列,而2A 12和7B04是這兩個(gè)系列中的典型高強(qiáng)鋁合金材料。

鋁合金材料構(gòu)件在海洋大氣環(huán)境服役過程中不可避免地會(huì)遭受不同程度的腐蝕損傷,主要腐蝕形式有點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。點(diǎn)腐蝕會(huì)造成高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件的疲勞性能下降,引起斷裂等事故的發(fā)生[1]。這主要是由于腐蝕損傷加速了表面疲勞源的產(chǎn)生和疲勞裂紋的擴(kuò)展,進(jìn)而縮短了飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命及其剩余強(qiáng)度[2]。已有很多學(xué)者研究了鋁合金材料在海洋大氣環(huán)境中的點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕特征和規(guī)律,這些為航空等工業(yè)應(yīng)用高強(qiáng)鋁合金材料提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

在研究鋁合金材料的腐蝕中,大量的工作是針對(duì)鋁合金所處的環(huán)境(溫度、濕度、介質(zhì)成分等)與腐蝕規(guī)律、鋁合金的腐蝕類型及機(jī)理等,而鋁合金材料的面積因素對(duì)點(diǎn)腐蝕的影響規(guī)律研究得較少。

P.M.Aziz等人[3]指出鋁合金點(diǎn)蝕出現(xiàn)概率隨試樣面積的減小而減小,當(dāng)試樣面積減少到一定值后鋁合金將不發(fā)生點(diǎn)蝕。飛機(jī)在長期使用的過程中防護(hù)涂層不同程度的脫落、劃痕及零件接合部位的磨損都會(huì)使鋁合金材料產(chǎn)生不同面積的暴露,這會(huì)影響鋁合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕行為。因此研究高強(qiáng)鋁合金材料在鹽水環(huán)境下的暴露面積對(duì)點(diǎn)腐蝕行為的影響以及腐蝕規(guī)律就顯得更為重要,這對(duì)于有效避免高強(qiáng)鋁合金材料構(gòu)件的點(diǎn)腐蝕引起的腐蝕疲勞斷裂、延長高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件在海洋環(huán)境條件下的服役使用壽命具有重要的意義。

因此,本工作以2A 12,7B04兩種高強(qiáng)鋁合金材料為研究對(duì)象,探討在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的腐蝕特征和規(guī)律,同時(shí)引入表面腐蝕損傷度的概念對(duì)鋁合金材料的腐蝕損傷進(jìn)行量化表征[4-7],并通過圖像處理得到的腐蝕形貌二值圖計(jì)算腐蝕損傷度。為這兩種高強(qiáng)鋁合金材料構(gòu)件在海洋大氣環(huán)境中的服役壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

實(shí)驗(yàn)材料為2A 12和7B04鋁合金板材,化學(xué)成分分別見表1和表2。去除表面包鋁層,表面機(jī)械處理依次采用No.180,No.400,No.800水砂紙打磨,然后用50g/L NaOH溶液去除表面氧化層,并在3%(體積分?jǐn)?shù))HNO3溶液中出光[8]。

腐蝕實(shí)驗(yàn)的試樣暴露形狀為正方形,暴露尺寸分別近似為0.5mm×0.5mm,1mm×1mm,2mm× 2mm,5mm×5mm,10mm×10mm,20mm×20mm,其余部分用氯丁橡膠密封。

Cu Mg M n Si Fe Zn Ti Ni Others Al 3.824.9 1.221.8 0.320.9<0.5<0.5<0.30<0.15<0.1<0.15 Bal

Table 2 Co表mp 2o ne 7n Bt 0 o 4f鋁 7B合04金 al成um分in (u質(zhì)m量 all分oy數(shù)(m / as %s ) fraction/%)

1.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)條件

在海洋大氣環(huán)境中,鋁合金構(gòu)件的點(diǎn)蝕現(xiàn)象比較普遍,其中濕度大和Cl-的存在是金屬材料易腐蝕的重要因素[9-11]。因此采用鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)對(duì)2A 12和7B04鋁合金進(jìn)行加速腐蝕。

鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)條件:3.5%NaCl溶液,溫度25℃±5℃。腐蝕時(shí)間為48h,腐蝕結(jié)束后用去離子水煮沸試樣2h,去除殘留腐蝕液和腐蝕產(chǎn)物。

1.3 腐蝕評(píng)價(jià)

應(yīng)用表面腐蝕損傷度量化表征鋁合金的腐蝕損傷,并以此為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),研究試樣暴露面積對(duì)鋁合金材料點(diǎn)腐蝕行為的影響。表面腐蝕損傷度定義為腐蝕損傷區(qū)域內(nèi)所有腐蝕坑表面積之和與腐蝕損傷區(qū)面積的比例,其定義式如式(1)[4]所示:

式中:α為腐蝕損傷度;n為腐蝕坑的數(shù)目;Api為第i個(gè)腐蝕坑的平面投影面積;A為腐蝕區(qū)的表面積。

采用GE5數(shù)碼王觀察試樣腐蝕形貌,根據(jù)腐蝕形貌圖中腐蝕坑部位的灰度值和材料表面的灰度值差別,將腐蝕形貌圖進(jìn)行圖像處理。先將圖像轉(zhuǎn)換為8位灰度圖,再依次進(jìn)行二值化和中值濾波得到對(duì)應(yīng)的黑白二值圖像,二值圖像中點(diǎn)腐蝕坑灰度值為255,其余部分灰度值為0,通過該圖像灰度值為255的像素所占的比例可以計(jì)算各試樣的點(diǎn)腐蝕坑面積百分比,即表面腐蝕損傷度。

2 腐蝕形貌和特征

圖1為2A 12和7B04鋁合金在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不同暴露面積試樣的腐蝕形貌照片。可以看出,2A 12鋁合金在試樣暴露面積小于1mm2時(shí)表面沒有出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕坑,暴露面積大于等于4mm2時(shí)則有明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象;而7B04鋁合金出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象的暴露面積是100mm2和400mm2。另外,由試樣腐蝕形貌可以發(fā)現(xiàn),2A 12鋁合金的腐蝕坑開口面積明顯大于7B04鋁合金的腐蝕坑開口面積,由此可見, 2A 12鋁合金的腐蝕坑橫向擴(kuò)展速度要遠(yuǎn)大于7B04鋁合金。

3 腐蝕損傷度分析

圖像處理中將物體與背景分離的方法稱為二值化處理。二值化是數(shù)字圖像處理中一項(xiàng)最基本的變換方法,通過非零取一、固定閾值、雙固定閾值等不同的閾值化變換方法,使一幅灰度圖變成黑白二值圖像,將所需的目標(biāo)部分從復(fù)雜的圖像背景中脫離出來。采用固定閾值法,即為灰度圖像(灰度值范圍為0～255)設(shè)定一個(gè)閾值T(取T=70),把圖像中灰度值小于給定閾值T的像素置為255,大于閾值T的像素置為0[12]。

圖1 2A 12和7B04鋁合金在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不同暴露面積試樣腐蝕形貌照片(a)2A12,0.25mm2;(b)7B04,0.25mm2;(c)2A 12,1mm2;(d)7B04,1mm2;(e)2A 12,4mm2;(f)7B04,4mm2; (g)2A 12,25mm2;(h)7B04,25mm2;(i)2A 12,100mm2;(j)7B04,100mm2;(k)2A 12,400mm2;(l)7B04,400mm2Fig.1 The corrosion photographs of 2A12 and 7B04 aluminum alloyswith different exposed areas by 3.5%NaCl salt water immersion test (a)2A12,0.25mm2;(b)7B04,0.25mm2;(c)2A 12,1mm2;(d)7B04,1mm2;(e)2A 12,4mm2;(f)7B04,4mm2; (g)2A 12,25mm2;(h)7B04,25mm2;(i)2A 12,100mm2;(j)7B04,100mm2;(k)2A 12,400mm2;(l)7B04,400mm2

鋁合金材料的腐蝕形貌圖像中點(diǎn)腐蝕坑處的灰度值較小,而其他部分灰度值較大,因此可以通過二值化處理使點(diǎn)腐蝕坑分離出來。經(jīng)過閾值處理得到的二值圖像中白色區(qū)域(灰度值為255)為腐蝕坑,黑色區(qū)域(灰度值為0)為材料表面,處理結(jié)果如圖2(b)所示?？梢钥吹?圖2(b)中還存在大量的小白點(diǎn),這是由于鋁合金進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)后表面不平整,有較多的細(xì)小凹坑,它們?cè)诟g圖像中灰度值同樣較小。這使得二值圖像中噪聲較多,影響損傷度計(jì)算結(jié)果,因此要對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理,去除這些噪聲。

采用中值濾波去除腐蝕圖像中的噪聲,它是一種非線性處理方法。在中值濾波中,設(shè)定像點(diǎn)的鄰域,圖像中值濾波后各像點(diǎn)的輸出等于該像點(diǎn)鄰域中所有像素灰度的中值,即存在一個(gè)滑動(dòng)的窗口,窗口內(nèi)所有像素灰度的中值作為窗口中被濾波的像點(diǎn)處理后的灰度[13]。

圖2 7B04鋁合金的腐蝕形貌圖經(jīng)不同圖像處理后的二值圖像(a)原圖;(b)r=0;(c)r=1;(d)r=3;(e)r=5;(f)r=7;(g)r=9;(h)r=11;(i)r=15;(j)r=20Fig.2 The binary images of corrosion morphology of 7B04 aluminum alloy under different image p rocessing parameters (a)initial image;(b)r=0;(c)r=1;(d)r=3;(e)r=5;(f)r=7;(g)r=9;(h)r=11;(i)r=15;(j)r=20

二維中值濾波的窗口形狀和尺寸設(shè)計(jì)對(duì)濾波的效果影響較大。窗口的形狀決定在什么樣的幾何空間取元素求中值,窗口的大小決定在多少個(gè)數(shù)值中求中值。對(duì)二維圖像,窗口的形狀可以是矩形、圓形、十字形、線條、圓環(huán)等[13]。使用圓形窗口,窗口尺寸分別選取半徑r為1,3,5,7,9,11,15,20,單位為像素。圖2為7B04鋁合金在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中暴露面積為400mm2時(shí)的腐蝕形貌圖經(jīng)圖像處理后的二值圖像,其中圖2(a)為腐蝕形貌灰度圖,圖2(b)為二值化處理后二值圖像,圖2(c)～(j)為不同參數(shù)進(jìn)行中值濾波得到的二值圖像。由圖可知,隨著窗口半徑的增大,圖像的噪聲減少,但是當(dāng)窗口半徑過大時(shí),很多小蝕坑也被當(dāng)作噪聲去除,且點(diǎn)腐蝕坑的邊緣棱角有部分被去除,使得腐蝕有效信息大幅降低。

計(jì)算采用不同窗口半徑進(jìn)行中值濾波所得二值圖像的腐蝕損傷度,結(jié)果如圖3所示。由圖3曲線可知,腐蝕損傷度計(jì)算值隨著窗口半徑的增大而減小,在半徑為1～3時(shí)腐蝕損傷度計(jì)算值變化較快,當(dāng)半徑大于5時(shí)則變化較慢。這是因?yàn)楦g后材料表面凹坑相對(duì)較小,當(dāng)半徑小于3時(shí)大部分都能去除,這就造成損傷度計(jì)算值的快速降低,但是當(dāng)半徑大于5時(shí),中值濾波處理不僅把這些凹坑除去,同時(shí)還把點(diǎn)腐蝕坑邊緣的棱角給去除,腐蝕損傷度計(jì)算值則繼續(xù)緩慢下降,二值圖像的有效信息量降低。因此中值濾波的窗口半徑應(yīng)選取3～5較好,本實(shí)驗(yàn)取3。

圖3 腐蝕損傷度計(jì)算值與半徑的關(guān)系曲線Fig.3 Change of the corrosion damage ratio with the radius

圖4為2A 12和7B04鋁合金在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下暴露面積為100mm2時(shí)的腐蝕形貌經(jīng)圖像處理后的二值圖像,可以看出2A 12鋁合金的腐蝕損傷度明顯大于7B04鋁合金。計(jì)算各試樣腐蝕損傷度,結(jié)果如表3所示。

圖4 2A 12和7B04鋁合金腐蝕形貌二值圖 (a)2A 12;(b)7B04Fig.4 The binary images of co rrosion mo rphology of 2A12 and 7B04 alum inum alloys (a)2A 12;(b)7B04

表3 2A12和7B04鋁合金在不同暴露面積時(shí)的腐蝕損傷度Table 3 The corrosion damage ratio of 2A 12 and 7B04 aluminum alloys w ith different exposed areas

表3數(shù)據(jù)表明隨著暴露面積的增大,2A12和7B04鋁合金在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的腐蝕損傷度都不斷增加,而當(dāng)暴露面積較小時(shí),試樣以全面腐蝕為主,無明顯的點(diǎn)腐蝕特征,該結(jié)果與試樣腐蝕形貌特征相吻合。這說明在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,一定時(shí)間內(nèi)鋁合金發(fā)生點(diǎn)腐蝕存在暴露面積臨界值,當(dāng)暴露面積小于該值時(shí)合金主要發(fā)生全面腐蝕,當(dāng)暴露面積大于該值時(shí)合金腐蝕程度則隨暴露面積的增大而增大。由實(shí)驗(yàn)可得2A 12和7B04鋁合金在鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下腐蝕48h出現(xiàn)點(diǎn)蝕的暴露面積臨界值分別為1mm2和25mm2。

鋁合金結(jié)構(gòu)遭受腐蝕損傷的部位是薄弱的部位之一,容易形成應(yīng)力集中,疲勞裂紋也是在這些部位最容易同時(shí)也是最早產(chǎn)生。因此腐蝕會(huì)造成結(jié)構(gòu)疲勞性能降低,極大地降低機(jī)體壽命。疲勞壽命和腐蝕損傷度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系[5],應(yīng)用腐蝕形貌二值圖像計(jì)算腐蝕損傷度,對(duì)鋁合金的腐蝕損傷進(jìn)行量化表征,并作為參數(shù)引入疲勞公式。合金腐蝕損傷度越大,其疲勞壽命降低幅度也越大。在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,相同腐蝕時(shí)間內(nèi)鋁合金的腐蝕損傷度隨暴露面積的增大而增大,則該材料疲勞壽命隨暴露面積的增大而減小。當(dāng)材料暴露面積小于其臨界值時(shí),試樣主要發(fā)生全面腐蝕,這時(shí)鋁合金的疲勞壽命受到的影響較小。

4 結(jié)論

(1)在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,2A 12 (A l2Cu2M g)鋁合金的腐蝕坑開口面積遠(yuǎn)大于7B04 (A l2Zn2M g2Cu)鋁合金的腐蝕坑開口面積,即2A 12鋁合金的腐蝕坑橫向擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于7B04鋁合金。

(2)采用表面腐蝕損傷度可以對(duì)鋁合金腐蝕損傷進(jìn)行量化表征,通過圖像處理后腐蝕形貌二值圖像計(jì)算得到腐蝕損傷度,計(jì)算結(jié)果與試樣腐蝕特征相吻合。腐蝕試樣表面小凹坑會(huì)使二值圖像產(chǎn)生噪聲,影響腐蝕損傷度計(jì)算值,采用中值濾波處理可以去除這些噪聲,使用圓形窗口,窗口半徑最佳值在3～5之間。

(3)在3.5%NaCl鹽水浸漬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,隨著試樣暴露面積的增大,2A 12和7B04鋁合金的腐蝕損傷度呈增加趨勢(shì),腐蝕程度逐漸增大。這兩種鋁合金都存在一個(gè)發(fā)生點(diǎn)腐蝕的暴露面積臨界值,當(dāng)暴露面積小于該值時(shí)材料表面沒有明顯的點(diǎn)腐蝕特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可初步推斷,2A 12和7B04鋁合金腐蝕48h出現(xiàn)點(diǎn)蝕的暴露面積臨界值分別為1mm2和25mm2。

[1] 秦劍波,王生楠,劉亞龍.LY12CZ鋁合金預(yù)腐蝕及疲勞損傷研究[J].材料工程,2006,(3):14-17.

[2] ASTM STP 1298,pitting corrosion and fatigue crack nucleation, effects of the environment on the initiation of crack grow th[S].

[3] AZIZ PM,GODARD H P.Influence of specimen areaon the pit2 ting p robability of aluminum[J].Electrochem Soc,1955,102 (10):577-579.

[4] PA IK J K,LEE J M,KO M J.U ltimate shear strength of p late elements w ith pit co rrosion wastage[J].Thin2Walled Structures, 2004,42(8):1161-1176.

[5] 張有宏,呂國志,陳躍良,等.鋁合金腐蝕損傷的形態(tài)學(xué)研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2007,19(4):272-274.

[6] 張有宏,呂國志,任克亮,等.不同環(huán)境下LY122CZ鋁合金表面腐蝕損傷演化規(guī)律研究[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(1):142-145.

[7] 王慧,呂國志,王樂,等.金屬表面腐蝕損傷演化過程的元胞自動(dòng)機(jī)模擬[J].航空學(xué)報(bào),2008,29(6):1490-1496.

[8] 朱立群,谷岸,劉慧叢,等.典型高強(qiáng)鋁合金材料的點(diǎn)腐蝕坑前緣特征的研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2008,28(6):61-66.

[9] 韓德盛,李荻.海洋大氣濕度對(duì)LY12鋁合金初期腐蝕的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2007,27(3):134-136.

[10] XU N X,ZHAO L Y,DING C H,et al.Laboratory observa2 tion of dew formation at an early stage of atmospheric corrosion of metals[J].Corros Sci,2002,44:163-170.

[11] MORCILLO M,CH ICO B,MARIACA L,et al.Salinity inma2 rine atmospheric corrosion:its dependence on the wind regime existing in the site[J].Corros Sci,2000,42:91-104.

[12] 楊淑瑩.VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,北京交通大學(xué)出版社,2005.58-98.

[13] 孫即祥.圖像處理[M].北京:科學(xué)出版社,2004.162-164.

Effects of Exposed A rea on Co rrosion Behavio r of High Strength A luminum A lloys in Salt Water

XU Huo2ping1,L IU Hui2cong1,ZHU Li2qun1,L IU Jian2zhong2,YE Xu2bin2,HU Ben2run2
(1 Key Labo rato ry of Aerospace M aterials and Perfo rmance(M inistry of Education), School of Materials Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2 Beijing Institute of Aeronautical M aterials,Beijing 100095,China)

The corrosion characteristicsof high strength aluminum alloys(2A 12 and 7B04)w ith differ2 ent exposed areas by 3.5%(mass fraction)NaCl salt w ater immersion test w ere investigated.The corrosion damage ratio w as calculated through the binary image that obtained from image p rocessing. The results indicate that the size of exposed area of the specimens can affect the pit co rrosion of both 2A 12 and 7B04 aluminum alloys in salt water immersion condition.No obvious pitting characteristic can be observed w hen the exposed area is smaller than a certain value,w hich is termed as the critical area of pitting corrosion.The pitting corrosion damage ratio imp roves w ith increase of exposed area. In addition,the difference of the critical areas between 2A 12 and 7B04 aluminum alloys show s that the components of the aluminum alloys can affect the critical value.

co rrosion;critical area;image p rocessing;alum inum alloy;damage ratio

TG146.2+1;TG172

A

100124381(2010)0520041206

2009205219;

2009211210

徐火平(1985—),男,碩士研究生,主要研究方向:腐蝕與防護(hù),聯(lián)系地址:北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院(100191),E2mail:xuhpshop2 ping@126.com

朱立群(1955—),男,教授,從事腐蝕防護(hù)研究,聯(lián)系地址:北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院(100191),E2mail:zhulq@buaa.edu.cn