2024鋁合金鹽霧腐蝕評(píng)估及腐蝕形貌分析

李云濤，李曉寧，包俊成，周世杰

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

2024鋁合金鹽霧腐蝕評(píng)估及腐蝕形貌分析

李云濤1，2，李曉寧1，包俊成1，2，周世杰1

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

采用鹽霧試驗(yàn)研究了2024鋁合金在環(huán)境相對(duì)濕度、介質(zhì)濃度、環(huán)境溫度三因素影響下的腐蝕行為。極差分析結(jié)果表明，相對(duì)濕度對(duì)2024鋁合金的腐蝕程度影響最大，尤其對(duì)腐蝕坑深具有顯著影響；對(duì)處于84%、90%、100%三種不同相對(duì)濕度腐蝕環(huán)境中的試樣，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法，確定其腐蝕等級(jí)依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)腐蝕；金相顯微分析發(fā)現(xiàn)，2024鋁合金的腐蝕類型主要是晶間腐蝕，且隨著相對(duì)濕度的增加，腐蝕程度逐漸增加。

2024鋁合金；極差分析；模糊綜合評(píng)判；腐蝕形貌

2024鋁合金作為一種高強(qiáng)度硬鋁，被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、交通等行業(yè)［1］。但由于其對(duì)腐蝕環(huán)境的敏感性，使其易發(fā)生局部腐蝕［2-3］，從而對(duì)構(gòu)件的使用安全性產(chǎn)生極大的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)2024鋁合金的腐蝕機(jī)理及腐蝕形式有了較多的研究。王彬彬等［4］利用4 a的現(xiàn)場(chǎng)大氣暴露試驗(yàn)，研究了我國西部鹽湖大氣環(huán)境的局部腐蝕行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境中Cl-含量的升高，鋁合金的開路電位降低，導(dǎo)致其耐蝕性變差。鄭棄非、孫霜青等［5-6］運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)方法研究了污染物和氣象因素對(duì)鋁合金的腐蝕速率的影響，在研究中提出最低溫度和平均濕度是氣象因素中影響腐蝕速率的最大影響因素。但在眾多的研究中，定性確定鋁合金腐蝕程度方面的報(bào)道相對(duì)較少，一般大多依靠工程師的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［7-8］。確定鋁合金在相應(yīng)的腐蝕環(huán)境中的耐蝕性及其在腐蝕環(huán)境中的腐蝕程度成為了人們研究的重點(diǎn)。

本工作采用濕熱鹽霧試驗(yàn)?zāi)M了不同腐蝕環(huán)境，通過對(duì)不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，研究2024鋁合金在相應(yīng)環(huán)境中的腐蝕規(guī)律，并定量評(píng)定其腐蝕程度，為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為熱軋狀態(tài)的無包鋁層2024鋁合金。腐蝕前對(duì)試樣進(jìn)行固溶和時(shí)效處理，固溶溫度495℃，然后進(jìn)行96 h時(shí)效處理，其抗位強(qiáng)度級(jí)別為460～490 MPa。其主要化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）：Cu 4.62，Mg 1.65，Mn 0.8，Si 0.21，F(xiàn)e 0.26，Ti 0.06，Zn 0.16，Ni 0.06。熱處理后的晶粒組織見圖1。腐蝕試樣尺寸為50 mm×25 mm×6 mm，表面為機(jī)械加工狀態(tài)，粗糙度為3.2μm。

圖1 未腐蝕前2024鋁合金的金相組織Fig.1 The microstructure of 2024 aluminum alloy before corrosion

1.2 試驗(yàn)過程

將54塊2024鋁合金試樣分成三組，清洗、烘干后，用電子天秤稱量，然后放在GDS-100型高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，模擬不同腐蝕環(huán)境中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液X為：5%NaCl+0.8%Na2S2O8+ 0.05%NaNO3，pH調(diào)節(jié)在4～5。腐蝕環(huán)境中的5X、10X、20X表示為標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液濃度（c）的5、10、20倍。待腐蝕結(jié)束后，取出試樣，除去表面腐蝕殘留，清洗、烘干后稱量。在每塊試樣的相同位置，選取10處，用DPG-1型腐蝕坑深度測(cè)量儀測(cè)量腐蝕坑深度，并求其平均值，作為相應(yīng)腐蝕環(huán)境中的腐蝕坑深度。不同腐蝕環(huán)境組合的設(shè)計(jì)和相應(yīng)環(huán)境中腐蝕測(cè)量結(jié)果見表1。在每塊試樣的相同位置取大小為5 mm×5 mm×2 mm的試樣，封樣，打磨，用奧林巴斯BX51M型光學(xué)顯微鏡和JSM-6700F型掃描電鏡觀測(cè)試樣表面的微觀腐蝕形貌。

2 腐蝕影響因素極差分析

本次研究中，主要探討相對(duì)濕度（RH）、腐蝕液質(zhì)量濃度（c）、環(huán)境溫度（T）對(duì)2024鋁合金腐蝕程度的影響。每一影響因素設(shè)置3個(gè)影響水平。選定兩種評(píng)定腐蝕程度的指標(biāo)：腐蝕前后的質(zhì)量損失率（△m/m0）和腐蝕坑深度（H）。利用極差分析法來確定各影響因素對(duì)腐蝕指標(biāo)的影響水平，為之后模糊權(quán)重矩陣的建立提供依據(jù)。

表1 腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)及相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The design of corrosion environments and the results of the experiments

利用公式（1）～（3）［9］計(jì)算不同影響因素的極值，三因素對(duì)質(zhì)量損失率的影響計(jì)算結(jié)果如表2所示，對(duì)腐蝕坑深的影響計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表2和3可確定，這三個(gè)影響因素中，相對(duì)濕度對(duì)腐蝕結(jié)果測(cè)量的影響最大。在對(duì)質(zhì)量損失率中，腐蝕液質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)果的影響作用大于溫度對(duì)結(jié)果的影響，但在對(duì)腐蝕坑深中，兩因素的影響程度基本相同。

式中：Kij為第j列因素i水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；xij為第j列因素i水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)值；為第j列因素i水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和的平均值；m為第j列因素i水平試驗(yàn)次數(shù)；Rj為第j列因素的極差。

因此在實(shí)際生產(chǎn)工作中，應(yīng)盡量降低2024鋁合金構(gòu)件服役環(huán)境的相對(duì)濕度，尤其是一些有密閉性要求的裝置中，更應(yīng)該注意防范因濕度的增加而造成腐蝕坑深的急劇增加，從而對(duì)裝置的密閉性造成破壞。

表2 三因素對(duì)質(zhì)量損失率的極差分析Tab.2 The mass lose range analysis influenced by the three factors

表3 三因素對(duì)腐蝕坑深的極差分析Tab.3 The pit depth range analysis influenced by the three factors

3 腐蝕程度評(píng)定

對(duì)2024鋁合金腐蝕程度進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)是確定其在相應(yīng)腐蝕環(huán)境中安全使用的前提。由于腐蝕受多種因素的影響，腐蝕程度的確定存在不確定性。模糊綜合評(píng)判法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)［10］。故本工作采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)腐蝕試樣進(jìn)行腐蝕程度的評(píng)估。由極差分析可知，相對(duì)濕度對(duì)2024鋁合金的腐蝕程度影響最大，結(jié)合本工作的特點(diǎn)，此處只對(duì)處于三種不同相對(duì)濕度下的腐蝕試樣進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。

模糊綜合評(píng)價(jià)主要由：指標(biāo)集X=｛x1，x2，…Xn｝；評(píng)價(jià)集V=｛v1，v2，…vn｝；權(quán)重集W=｛w1，w2，…wn｝；及模糊關(guān)系矩陣R構(gòu)成［10-11］。

3.1 建立指標(biāo)集

總結(jié)影響本次試驗(yàn)評(píng)定腐蝕程度的主要因素為：相對(duì)濕度（x1）、腐蝕液濃度（x2）、溫度（x3）、腐蝕坑深（x4）、質(zhì)量損失率（x5）。則建立指標(biāo)集X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝=｛相對(duì)濕度，腐蝕液質(zhì)量濃度，溫度，腐蝕坑深，質(zhì)量損失率｝。

3.2 建立評(píng)價(jià)集

結(jié)合腐蝕程度的不確定性，將腐蝕程度的評(píng)價(jià)因素設(shè)定為：｛輕微腐蝕、一般腐蝕、較重腐蝕、嚴(yán)重腐蝕、銹損｝，見表4。

表4 因素狀態(tài)分級(jí)評(píng)價(jià)表Tab.4 Classification of various factors

3.3 確定權(quán)重集

采用0.1～0.9標(biāo)度［11-12］，建立優(yōu)先判斷矩陣，并將優(yōu)先判斷矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣，利用排序法［14］計(jì)算出權(quán)重集W=［0.205 0 0.170 0 0.160 00.220 0 0.245 0］，即本次試驗(yàn)中，影響2024鋁合金腐蝕程度因素的權(quán)重排序?yàn)椋嘿|(zhì)量損失率，腐蝕坑深，相對(duì)濕度，腐蝕液濃度，溫度。

3.4 模糊關(guān)系矩陣R

通過試驗(yàn)測(cè)定三種腐蝕環(huán)境中的指標(biāo)因素，根據(jù)因素狀態(tài)分級(jí)評(píng)價(jià)表，確定在三種腐蝕環(huán)境中的模糊關(guān)系矩陣R。本工作所選擇的五種指標(biāo)均為正向指標(biāo)［14-15］，則利用梯形分布公式［16］，確定相應(yīng)指標(biāo)的隸屬度。

RH=84%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

RH=90%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

RH=100%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

3.5 模糊綜合評(píng)判

權(quán)重向量W與隸屬度矩陣R做模糊變換［17］，既為此次模糊綜合評(píng)判的結(jié)果，即：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定相應(yīng)環(huán)境中的評(píng)判結(jié)果。即在RH=84%腐蝕環(huán)境下，試樣為Ⅱ級(jí)腐蝕，在RH=90%腐蝕環(huán)境中為Ⅲ級(jí)腐蝕，在RH= 100%腐蝕環(huán)境下為Ⅳ級(jí)腐蝕。

4 腐蝕形貌分析

通過金相照片比對(duì)，在圖2（a）中偶爾出現(xiàn)腐蝕活性點(diǎn)，點(diǎn)蝕出現(xiàn)，晶間腐蝕明顯。隨著相對(duì)濕度的增加，試樣表面粗糙度增加，當(dāng)濕度達(dá)到100%時(shí)，顏色較深的腐蝕斑相互交聯(lián)，腐蝕面積增大，表面粗糙度繼續(xù)惡化。

通過SEM觀察，腐蝕區(qū)域零星分布，呈圓形或橢圓形，試樣表面出現(xiàn)龜裂紋，偶有白色腐蝕產(chǎn)物的堆積，隨著濕度的增加，裂紋繼續(xù)向深度和寬度方向發(fā)展。腐蝕產(chǎn)物大而疏松，堆積厚度增加，局部有塊狀脫落。從圖中觀察發(fā)現(xiàn)其腐蝕類型主要為沿晶腐蝕，偶有穿晶腐蝕裂紋的出現(xiàn)。這是由于時(shí)效處理后，Cu Al2在晶間沉淀析出，導(dǎo)致晶界貧銅區(qū)的產(chǎn)生，貧銅區(qū)的腐蝕電位較周圍基體的電位低［18-20］，腐蝕速率較大，導(dǎo)致沿晶腐蝕的發(fā)生。晶界處腐蝕產(chǎn)物的堆積，產(chǎn)生“楔入效應(yīng)”［21］，使得沿晶裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大，最終發(fā)展為剝蝕。

圖2 鋁合金試樣在腐蝕環(huán)境T=50℃，c=20X時(shí)不同濕度下的表面金相照片F(xiàn)ig.2 The corrosion morphology of aluminum alloy in environments T=50℃，c=20X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

圖3 鋁合金試樣在腐蝕環(huán)境T=50℃，c=20X時(shí)不同濕度下的表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM morphology of 2024 aluminum alloy in environments T=50℃，c=20 X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

5 結(jié)論

（1）在相對(duì)濕度、腐蝕液質(zhì)量濃度、溫度三個(gè)影響因素中，相對(duì)濕度對(duì)2024鋁合金腐蝕程度的影響最大，尤其是對(duì)腐蝕坑深度有顯著性的影響。

（2）對(duì)處于腐蝕液質(zhì)量濃度20X、溫度50℃、相對(duì)濕度依次為84%、90%、100%環(huán)境中的三組腐蝕試樣進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，確定其腐蝕等級(jí)依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)腐蝕。

（3）2024鋁合金在本次試驗(yàn)環(huán)境中的腐蝕方式主要以晶間腐蝕為主，偶有穿晶腐蝕。隨著腐蝕環(huán)境的惡化，腐蝕程度逐漸增加。

［1］ 程宗輝.2024CZ鋁合金飛機(jī)構(gòu)件腐蝕行為研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006，12.

［2］ VARGEL C.Corrosion of aluminium［M］.Paris：Dunod，2004：235.

［3］ SYED S.Atmospheric corrosion of materials［J］.E-mirates J Eng Res.，2006，11（1）：2.

［4］ 王彬彬，王振堯，曹公望，等.2024鋁合金在中國西部鹽湖大氣環(huán)境中的局部腐蝕行為［J］.金屬學(xué)報(bào)，2014（1）：49-56.

［5］ 鄭棄非，孫霜青，溫軍國.鋁及鋁合金在我國的大氣腐蝕及其影響因素分析［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（6）：359-363，419.

［6］ 孫霜青，鄭棄非，李德富.高強(qiáng)鋁合金在大氣環(huán)境中剝蝕和腐蝕失重的腐蝕因素灰色關(guān)聯(lián)分析［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2012（2）：144-148.

［7］ 李濤，馮海濤，李曉剛，等.2A12鋁合金在含Cl-環(huán)境中的腐蝕行為和規(guī)律研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2011（3）：43-48.

［8］ 張海威，何宇廷，范超華，等.2A12鋁合金不同方法腐蝕疲勞的壽命及斷口形貌［J］.機(jī)械工程材料，2012（5）：26-28，32.

［9］ 朱世東，魏建鋒，周根數(shù)，等.基于正交試驗(yàn)的P110腐蝕行為的研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2010（1）：4-9.

［10］ 劉育驥.石油工程模糊數(shù)學(xué)［M］.成都：成都科技大學(xué)出版社，1994.

［11］ 王聰，張廣智.楊光付.模糊層次分析法在艦艇結(jié)構(gòu)腐蝕評(píng)估中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（4）：72-75.

［12］ 趙學(xué)芬，姚安林，趙忠剛.模糊層次分析法在腐蝕影響因素分析中的應(yīng)用［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2006（3）：30-32，41.

［13］ 黎延海.模糊層次分析法的Matlab實(shí)現(xiàn)［J］.硅谷，2009，17：2，38.

［14］ 歐劍，袁宗明，相臻.利用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)天然氣管道的內(nèi)腐蝕［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006（2）：58-59，61-62，65.

［15］ 歐劍，相臻，袁宗明.天然氣管道的內(nèi)腐蝕程度-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)的應(yīng)用［J］.新疆石油天然氣，2005（2）：74-75，80-81.

［16］ 陳立武.基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的板帶材表面缺陷嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)［D］.東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［17］ 喻西崇，趙金洲，鄔亞玲，等.利用模糊綜合評(píng)判評(píng)價(jià)注水管道腐蝕程度［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（3）：79-82，88.

［18］ ZHANG W L，F(xiàn)RABKEL G S.Localized corrosion growth kinetics in AA2024 alloys［J］.J Electrochemical Society，2002，149（22）：510-519.

［19］ 尹作升，裴和中，張國亮，等.熱處理制度對(duì)2024鋁合金晶間腐蝕和抗拉強(qiáng)度的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2011，32（2）：107-108，127.

［20］ GHOSH K S，HILAL M，BOSE S.Corrosion behavior of 2024 Al-Cu-Mg alloy of various tempers［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2013，11：3215-3227.

［21］ 張騰，何宇廷，高潮，等.2A12-T4鋁合金長期大氣腐蝕損傷規(guī)律研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2015，36（2）：661-671.

Corrosion Evaluation and Morphology Analysis of 2024 Aluminum Alloy in Salt Spray

LI Yun-tao1，2，LI Xiao-ning1，BAO Jun-cheng1，2，ZHOU Shi-jie1
（1.College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin Key Laboratory for Photoelectric Materials Devices，Tianjin 300384，China）

The corrosion behaviors of 2024 aluminum alloy under the influence of relative humidity，concentration and temperature were studied in salt spray.Range analysis revealed that the relative humidity had the greatest influence on the corrosion of 2024 aluminum alloy.The relative humidity had a significant influence on the depth of corrosion pit，especially.The fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate the corrosion degree of the alloy in environments with 84%，90%，100%relative humidity，respectively.The corrosion degrees of the three alloys wereⅡ，Ⅲ，Ⅳ，respectively.Metallographic analysis was used to analyze the surface of the alloy.It showed that the main corrosion type of the alloy was intergranular corrosion.With the increase of the relative humidity，the corrosion degree increased gradually.

2024 aluminum alloy；range analysis；fuzzy comprehensive evaluation；corrosion morphology

TG172.5

A

1005-748X（2015）09-0864-05

10.11973/fsyfh-201509

2014-09-25

包俊成（1965-），教授，碩士，從事金屬材料微合金化及其力學(xué)性能表征、失效分析等教學(xué)和研究工作，18622216953，liyuntao_vip＠126.com