不同腐蝕環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金腐蝕行為

周 松 許 良 回 麗 王 磊 馬少華 韓 放

沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽，110136

不同腐蝕環(huán)境下高強(qiáng)鋁合金腐蝕行為

周 松 許 良 回 麗 王 磊 馬少華 韓 放

沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽，110136

針對航空鋁合金材料在服役過程中因惡劣環(huán)境而導(dǎo)致材料腐蝕的問題，通過分析腐蝕形貌、腐蝕坑開口面積、腐蝕深度、點(diǎn)腐蝕坑數(shù)量、pH值、腐蝕產(chǎn)物等變化，研究2xxx航空鋁合金在不同腐蝕環(huán)境(3.5%NaCl水溶液、模擬油箱積水溶液和潮濕空氣)中的腐蝕行為和機(jī)理。結(jié)果表明，在3.5%NaCl水溶液中，鋁合金試樣表面腐蝕坑的產(chǎn)生主要發(fā)生在前24 h內(nèi)，其最大腐蝕坑深約為45 μm，而在72～120 h，隨預(yù)腐蝕時間的延長，腐蝕坑深度、個數(shù)的增加并不明顯；鋁合金試樣在模擬油箱積水環(huán)境中的腐蝕規(guī)律與在3.5%NaCl水溶液中的相似，但腐蝕坑最大開口面積和腐蝕坑的個數(shù)明顯減少；與前兩種環(huán)境相比，試樣在潮濕空氣環(huán)境中的腐蝕程度明顯減小，腐蝕坑總體個數(shù)最少，最大腐蝕坑深約在20 μm以內(nèi)，最大開口面積約在5000 μm2左右，且隨著腐蝕時間的增長，腐蝕坑之間的深度差距越來越小。

高強(qiáng)鋁合金；腐蝕行為；點(diǎn)蝕；腐蝕環(huán)境；腐蝕產(chǎn)物

0 引言

沿海環(huán)境服役的鋁合金裝備在工作過程中會不可避免地遭受一定程度的腐蝕損傷[1-4]，而腐蝕損傷會大大縮短疲勞裂紋的萌生壽命，從而縮短鋁合金裝備的服役壽命及減小剩余強(qiáng)度[5-7]。目前，對鋁合金材料和結(jié)構(gòu)件在腐蝕環(huán)境下的腐蝕類型、特點(diǎn)和規(guī)律的研究已有很多報道，這些研究成果已經(jīng)為鋁合金的研究、設(shè)計、使用和維修等提供了寶貴的依據(jù)，但這些研究主要是針對鋁合金構(gòu)件材料的使用環(huán)境(溫濕度、介質(zhì)成分等)、腐蝕規(guī)律、類型及機(jī)理等的研究[8-14]，而不同腐蝕環(huán)境對鋁合金材料點(diǎn)腐蝕影響規(guī)律方面的對比研究較少。鋁合金裝備在服役期間會遭受多種腐蝕環(huán)境，如被工業(yè)污染的大氣、海水、潮濕空氣、油箱積水環(huán)境等，因此，研究不同腐蝕環(huán)境對鋁合金構(gòu)件材料的腐蝕行為影響規(guī)律有利于進(jìn)行更準(zhǔn)確的壽命預(yù)測，有利于開展更合理的壽命管理工作。

本文以新型高強(qiáng)鋁合金2xxx為研究對象，在3.5%NaCl水溶液環(huán)境、模擬油箱積水環(huán)境和潮濕空氣環(huán)境下對其進(jìn)行不同時間預(yù)腐蝕，探討2xxx鋁合金在不同腐蝕環(huán)境中的點(diǎn)腐蝕特征和規(guī)律，得到不同腐蝕環(huán)境和不同腐蝕時間對其腐蝕行為的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)材料選用厚度為2.5 mm的新型高強(qiáng)鋁合金2xxx，其化學(xué)成分如表1所示。用線切割加工試樣，尺寸為50 mm×25 mm×2.5 mm，形狀如圖1所示，并對試樣的四個側(cè)邊進(jìn)行磨削加工，粗糙度達(dá)到0.8 μm。預(yù)腐蝕試驗(yàn)采用ASTM G34-1標(biāo)準(zhǔn)。首先把試樣放在丙酮中超聲清洗5 min并取出冷風(fēng)吹干，然后將其放在腐蝕箱里預(yù)腐蝕，腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl水溶液(即鹽水)、模擬油箱積水溶液(成分如表2所示)、潮濕空氣(濕度大于90%)；腐蝕時間為24 h、72 h、120 h；試驗(yàn)溫度為25±5 ℃。每個時間下腐蝕10片平行試樣。試驗(yàn)過程中用Sartorius PB-10酸度計測定腐蝕溶液的pH值，在最初的12 h內(nèi)每隔2 h測定一次，之后每隔24 h測定一次。

表1 新型鋁合金板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 The chemical composition of 2xxx aluminum alloy bar %

圖1 預(yù)腐蝕試樣形狀圖Fig.1 The shape of pre-corroded test specimen表2 模擬油箱積水環(huán)境成分Tab.2 Component of tank water mg/L

預(yù)腐蝕完成后用流動的純凈水沖洗，接著將試驗(yàn)件在室溫下用三氧化鉻磷酸全浸15～30 min，用鑷子將其取出后放在自來水下進(jìn)行沖洗，之后用電吹風(fēng)冷風(fēng)將其吹干后保存。使用Hirox KH-3000VD三維立體顯微鏡及Nova Nano SEM 450掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣腐蝕損傷區(qū)域進(jìn)行觀察并測量其腐蝕坑深度和開口面積。使用愛國者數(shù)碼觀測王GE5顯微鏡在低倍下對腐蝕區(qū)域拍攝形貌并采集計算腐蝕坑的個數(shù)，因腐蝕坑分布不均，為統(tǒng)一計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將重疊部分達(dá)1/3以上的腐蝕坑合計為一個。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 腐蝕形貌特征和pH值變化

2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環(huán)境和不同腐蝕時間下的表面宏觀腐蝕形貌如圖2所示。在潮濕空氣環(huán)境中，整個腐蝕過程肉眼未見明顯的腐蝕坑。在3.5%NaCl水溶液腐蝕過程中，試樣浸泡7 h左右就出現(xiàn)肉眼可見的腐蝕坑(圖3a)，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕坑面積逐漸增大，尤其是試樣表面有明顯缺陷的位置，極易形成大面積的腐蝕區(qū)。在0～120 h腐蝕過程中，鹽水的pH值變化在6.4～7.1之間，變化較小，如圖4所示，對鋁合金的腐蝕行為不構(gòu)成影響。

(a)潮濕空氣預(yù)腐蝕24 h (b)潮濕空氣預(yù)腐蝕72 h(c)潮濕空氣預(yù)腐蝕120 h

(d)鹽水預(yù)腐蝕24 h (e)鹽水預(yù)腐蝕72 h(f)鹽水預(yù)腐蝕120 h

(g)油箱積水預(yù)腐蝕24 h (h)油箱積水預(yù)腐蝕72 h(i)油箱積水預(yù)腐蝕120 h圖2 2xxx鋁合金試樣腐蝕宏觀形貌1Fig.2 Macroscopic morphology 1 of the 2xxx aluminum alloy test pieces

在模擬油箱積水環(huán)境中的腐蝕情況與3.5%NaCl水溶液環(huán)境不同，主要是由于模擬油箱積水環(huán)境中存在大量的重金屬離子，在腐蝕過程中，除了試樣自身不斷腐蝕外，金屬離子也不斷在試樣表面沉積。沉積現(xiàn)象與腐蝕現(xiàn)象互相交匯、影響。因此，在模擬油箱積水環(huán)境中鋁合金的腐蝕過程顯得更為復(fù)雜。在腐蝕過程中，試樣浸泡8 h左右，試樣表面就出現(xiàn)了表面產(chǎn)物(圖3b)；隨著腐蝕時間的增加，表面產(chǎn)物在試樣上越積越多。腐蝕72 h左右，試樣基材已被表面產(chǎn)物完全覆蓋。整個腐蝕過程中pH值變化在4.2～5.4之間,如圖4所示，即0 h的模擬油箱積水pH值約為4.2，但在24 h左右pH值迅速上升至5.0左右后保持穩(wěn)定，在120 h內(nèi)，溶液pH值保持在5.4以下。

(a)鹽水環(huán)境預(yù)腐蝕7 h(b)油箱積水預(yù)腐蝕8 h圖3 2xxx鋁合金試樣腐蝕宏觀形貌2Fig.3 Macroscopic morphology 2 of the 2xxx aluminum alloy test pieces

圖4 2xxx鋁合金在不同腐蝕 環(huán)境中隨腐蝕時間引起的pH值變化曲線Fig.4 The pH change for 2xxx aluminum alloy curve caused by corrosion in different corrosion environments

2.2 腐蝕坑最大開口面積

用視頻顯微鏡測量了不同腐蝕環(huán)境、不同腐蝕時間下試樣腐蝕后的最大腐蝕深度和腐蝕坑最大開口面積。由于表面缺陷的存在，腐蝕坑極易在缺陷處連成片，因此在統(tǒng)計腐蝕坑最大開口面積時，成片的腐蝕區(qū)不計算在內(nèi)，只考察單個的腐蝕坑。

表3所示是2xxx鋁合金在不同腐蝕環(huán)境下及不同腐蝕時間的點(diǎn)腐蝕坑最大平均開口面積(10片試樣上最大腐蝕坑面積均值)變化結(jié)果，圖5為2xxx鋁合金在不同腐蝕環(huán)境中腐蝕24 h、72 h、120 h后典型的腐蝕坑形貌圖。從表3和圖5中可以看出：同一腐蝕環(huán)境中，腐蝕坑最大平均開口面積隨著腐蝕時間的增加而增大；同一腐蝕時間下，腐蝕環(huán)境對腐蝕坑最大平均開口面積的影響由大到小依次是3.5%NaCl水溶液環(huán)境、模擬油箱積水環(huán)境、潮濕空氣環(huán)境。3.5%NaCl水溶液與模擬油箱積水腐蝕相比，腐蝕坑開口面積明顯增大，一方面是因?yàn)辂}水環(huán)境中的Cl-離子促進(jìn)了材料的腐蝕與腐蝕坑的發(fā)展，另一方面是與模擬油箱積水中含有重金屬離子在試樣的表面沉積和結(jié)垢的作用有關(guān)。

表3 2xxx鋁合金不同腐蝕環(huán)境下 試樣點(diǎn)腐蝕坑最大平均開口面積Tab.3 Maximum average corrosion area of 2xxx aluminum alloy with different corrosive environments

2.3 最大腐蝕坑深度

圖6為2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環(huán)境和不同腐蝕時間下的最大腐蝕坑深度數(shù)據(jù)。由圖可見，隨著腐蝕時間的延長，2xxx鋁合金在潮濕空氣環(huán)境中的最大腐蝕坑深度幾乎沒有變化；在鹽水環(huán)境中，腐蝕24 h的試樣不同腐蝕坑所測的深度差距較大，而腐蝕72 h的試樣腐蝕坑深度則相對平均。這說明在腐蝕初期已有腐蝕坑萌生，隨后的24 h內(nèi)，新腐蝕坑的萌生與初期萌生的舊腐蝕坑的發(fā)展是同時進(jìn)行的，一直到腐蝕坑深度達(dá)到45 μm左右時，腐蝕坑的發(fā)展速度逐漸變緩，后期萌生的腐蝕坑縮小了與早期萌生的腐蝕坑的深度上的差距。在腐蝕72 h后，大量的腐蝕坑深度均可達(dá)到50 μm左右，而后繼續(xù)發(fā)展，到腐蝕120 h時，最大腐蝕坑深度約為55 μm；從腐蝕坑發(fā)展動力學(xué)分析，腐蝕坑萌生后，在腐蝕坑的孔內(nèi)發(fā)生金屬鋁的溶解，其反應(yīng)為而在孔口外表面發(fā)生耗氧腐蝕，反應(yīng)方程式如下：

(a)潮濕空氣預(yù)腐蝕24 h(b)潮濕空氣預(yù)腐蝕72 h

(c)潮濕空氣預(yù)腐蝕120 h(d)鹽水預(yù)腐蝕24 h

(e)鹽水預(yù)腐蝕72 h(f)鹽水預(yù)腐蝕120 h

(g)油箱積水預(yù)腐蝕24 h(h)油箱積水預(yù)腐蝕72 h

(i)油箱積水預(yù)腐蝕120 h圖5 2xxx鋁合金試樣腐蝕坑形貌Fig.5 Morphology of corrosion pits of 2xxx aluminum alloy Al→Al3++3e

(1)

O2+2H2O+4e→4OH-

(2)

生成的OH-與Al3+反應(yīng)形成氫氧化鋁，進(jìn)而形成氧化鋁，氧化鋁堆積在孔口，使得腐蝕坑孔內(nèi)部形成閉塞區(qū)，進(jìn)而形成氧濃差電池，導(dǎo)致腐蝕坑加速發(fā)展。隨著腐蝕的發(fā)展，沉積在蝕孔口的氧化鋁由于不穩(wěn)定發(fā)生脫落，閉塞區(qū)消失，氧濃差也隨之消失。又由于腐蝕坑內(nèi)部材料為純鋁，極易發(fā)生鈍化，使得腐蝕坑停止發(fā)展。因此，在72 h以后，包鋁層上的腐蝕坑并沒有進(jìn)一步擴(kuò)大。

(a)潮濕空氣環(huán)境

(b)鹽水環(huán)境

(c)油箱積水環(huán)境圖6 2xxx鋁合金不同腐蝕環(huán)境下試樣最大腐蝕深度Fig.6 The maximum corrosion depth of 2xxx aluminum alloy in various corrosive environments

在模擬油箱積水環(huán)境中，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕坑最大深度變化不大，與鹽水環(huán)境相比，腐蝕坑深度更深。在腐蝕過程中，試樣表面的反應(yīng)比較復(fù)雜，重金屬離子的沉積與合金的腐蝕同時發(fā)生。有研究表明，環(huán)境中微量的Cu2+可以較大程度地加快鋁合金的腐蝕[15]，所以和鹽水環(huán)境相比，在腐蝕較短的時間內(nèi)合金就受到了相對較嚴(yán)重的腐蝕損傷。隨著腐蝕時間的延長，Zn2+的氧化物沉積在試樣表面，對試樣起到了機(jī)械鈍化的作用，減輕了腐蝕損傷，因此試樣的腐蝕坑最大深度并未隨時間延長而顯著增大。

同一腐蝕時間下，腐蝕環(huán)境對腐蝕坑最大深度的影響由大到小依次是模擬油箱積水環(huán)境、鹽水環(huán)境、潮濕空氣環(huán)境。

2.4 腐蝕坑數(shù)量

2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環(huán)境中的點(diǎn)腐蝕坑數(shù)量，如圖7所示。由圖7可見，隨著腐蝕時間的增加，不同腐蝕環(huán)境下點(diǎn)腐蝕坑的數(shù)量一直在增加，但增加的幅度大不相同。鹽水環(huán)境下，腐蝕坑主要集中在包鋁層，且腐蝕坑的數(shù)量隨腐蝕時間的延長變化不大。模擬油箱積水環(huán)境與鹽水腐蝕環(huán)境相比，腐蝕坑數(shù)量明顯偏少，這是因?yàn)槟M油箱積水腐蝕環(huán)境中Cl-含量偏少，使得鈍化膜發(fā)生局部破壞的概率減小。隨著腐蝕時間的增長，在潮濕環(huán)境中，試樣表面腐蝕坑越來越多。鹽水環(huán)境和模擬油箱積水環(huán)境下的點(diǎn)腐蝕坑的數(shù)量遠(yuǎn)大于潮濕空氣下的點(diǎn)腐蝕坑的數(shù)量。同一腐蝕時間下，腐蝕環(huán)境對腐蝕坑數(shù)量的影響由大到小依次是：鹽水環(huán)境，模擬油箱積水環(huán)境，潮濕空氣環(huán)境。

圖7 2xxx鋁合金不同腐蝕環(huán)境下試樣腐蝕坑數(shù)量Fig.7 The number of corrosion pits of 2xxx aluminum alloy in various corrosive environments

2.5 不同腐蝕環(huán)境下鋁合金的腐蝕機(jī)理

由于模擬油箱積水溶液中含有Zn2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+等重金屬離子，這些重金屬離子在試樣表面的沉積和結(jié)垢與合金的腐蝕同時發(fā)生，因此，試樣表面的反應(yīng)比較復(fù)雜。試樣表面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖8所示?？梢钥闯?，在浸泡腐蝕24 h后，試樣表面聚集了一些細(xì)小顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物，隨著腐蝕時間的增加(72 h)，顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物變大連接成小塊狀，到腐蝕后期(120 h)，試樣表面腐蝕產(chǎn)物變得更大且多孔。由EDS結(jié)果可知，這些顆粒狀腐蝕產(chǎn)物主要含有O、Zn、Cd、Al、Cu、Na、C1以及少量的Fe、Ca、Mg等元素，如表4所示。

(a)預(yù)腐蝕24 h (b)預(yù)腐蝕72 h

(c)預(yù)腐蝕120 h圖8 2xxx鋁合金在模擬油箱積水環(huán)境中 的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌Fig.8 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in the simulated fuel tank water表4 模擬油箱積水環(huán)境中2xxx鋁合金表面產(chǎn)物的EDS分析Tab.4 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after immersing in the simulated fuel tank water

預(yù)腐蝕時間(h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)OFeZnCuCdCaNaClMgAl2438．210．5122．823．9013．110．445．091．960．6313．337232．350．3514．211．5724．70．784．162．820．5918．4712026．630．491．461．0842．830．351．163．730．5621．71

由于模擬油箱積水溶液中Zn2+、Fe3+、Cr3+、Cu2+、Cd2+等離子在鋁合金表面都具有結(jié)垢特性，其中Fe3+、Cr3+離子在溶液中以膠體的形式懸浮在水中，因此在腐蝕初期(24 h)，試樣表面腐蝕產(chǎn)物為鋅、鎘和銅的氫氧化物結(jié)垢物質(zhì)。由于Cr3+在模擬油箱積水溶液中含量較小，所以檢測表明腐蝕產(chǎn)物時未發(fā)現(xiàn)鉻元素。

由2.1節(jié)可知鋁合金材料浸泡于模擬油箱積水溶液中的pH值在4.2～5.4范圍內(nèi)，溶液呈弱酸性，但溶液中含有微量的OH—，使溶液存在如下反應(yīng)：

Mn++nOH-?M(OH)n↓

(3)

溶液中OH-含量隨著pH值增大而增加，促進(jìn)反應(yīng)式(3)向右進(jìn)行，加速氫氧化物的生成，使其沉積在鋁合金包鋁層表面，形成表面結(jié)垢產(chǎn)物。因而，在浸泡初期(24 h)，Zn2+、Cd2+和Cu2+的氫氧化物成為主要結(jié)垢物質(zhì)。隨著浸泡時間的增加，溶液中pH值的增速變緩(由5.0增至5.4)，導(dǎo)致鋅和銅的氫氧化物生成變緩，因而鋅和銅元素在腐蝕產(chǎn)物中所占的比例隨著腐蝕時間的增加而降低。由于鎘元素在模擬油箱積水溶液中含量較大，當(dāng)其他元素生成速度變緩，鎘元素在腐蝕產(chǎn)物中所占的比例隨著腐蝕時間的延長而增加，與pH值的變化關(guān)系不大，這與文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果相一致。

2xxx鋁合金在3.5%NaCl水溶液中腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖9所示。由圖9可知，在腐蝕24 h以后試樣表面有很多細(xì)小的點(diǎn)坑，坑的分布不是很密集，隨著腐蝕時間的增加(72 h)，試樣表面被灰色顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，當(dāng)腐蝕120 h時，試樣表面形成了一些白色的腐蝕產(chǎn)物。由EDS結(jié)果可知，這些顆粒狀腐蝕產(chǎn)物的主要含有O、Al、Cu以及少量的Na、C1、Mg、Si等元素，如表5所示。

2xxx鋁合金在3.5%NaCl溶液中腐蝕時，由于S相是2xxx系鋁合金中一種主要析出相，而S相中的Mg有較高的化學(xué)活性將首先被溶解，導(dǎo)致S相中Cu含量變高，同時在溶液中已經(jīng)溶解的Cu離子和Al原子發(fā)生反應(yīng)，使Cu在S相中富集，所以在腐蝕初期(24 h)，腐蝕產(chǎn)物中Cu的含量是最高的[17]。隨著腐蝕時間的增加，富銅的S相電位變正后變?yōu)殛帢O，造成其周圍基體溶解，導(dǎo)致S相從基體中脫落，脫落的顆粒數(shù)量隨著腐蝕時間的增加而增加，所以造成腐蝕產(chǎn)物中銅和鎂的含量降低，鋁、氧含量逐漸增高。

(a)預(yù)腐蝕24 h (b)預(yù)腐蝕72 h

(c)預(yù)腐蝕120 h圖9 2xxx鋁合金在鹽水環(huán)境中 的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌Fig.9 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in NaCl solution表5 鹽水中2xxx鋁合金表面產(chǎn)物的EDS分析Tab.5 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after immersing in NaCl solution

預(yù)腐蝕時間(h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)OAlCuNaClMgSi2416．4117．4159．143．180．501．861．517239．3041．3813．750．910．970．663．0512046．0443．487．610．190．330．541．81

鋁合金的點(diǎn)蝕可分為兩個階段，即點(diǎn)蝕成核階段和點(diǎn)蝕生長階段。點(diǎn)蝕成核的原因主要有兩種，即吸附理論[18]和氯離子滲透機(jī)制[19]。一旦點(diǎn)蝕坑形成后就會迅速發(fā)展，這主要是點(diǎn)蝕坑內(nèi)部發(fā)生了自我催化過程：蝕坑外表面是陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)可用式(2)表示，點(diǎn)蝕坑內(nèi)部金屬發(fā)生陽極反應(yīng)(即鋁的溶解)可用式(1)表示，而腐蝕產(chǎn)物在點(diǎn)蝕坑口堆積，阻礙了擴(kuò)散和對流，使孔內(nèi)溶液得不到稀釋，形成微電偶腐蝕電池效應(yīng)。

2xxx鋁合金在潮濕空氣環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖10所示。由圖10可見，在腐蝕24 h以后試樣表面有一些細(xì)小的點(diǎn)蝕坑和小凸起，坑和小凸起的分布不是很密集，隨著腐蝕時間的增加(72 h)，試樣表面出現(xiàn)一些白色顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物，到腐蝕120 h時，試樣表面白色的腐蝕產(chǎn)物變大。對這些腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表6所示。

(a)預(yù)腐蝕24 h (b)預(yù)腐蝕72 h

(c)預(yù)腐蝕120 h圖10 2xxx鋁合金在潮濕空氣環(huán)境中的 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌Fig.10 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in wet air environment表6 潮濕空氣中2xxx鋁合金表面 產(chǎn)物的EDS分析Tab.6 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after corrosion in the wet air environment

預(yù)腐蝕時間(h)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)OAlCuMgCaC2414．5848．3532．362．330．791．597238．8327．023．151．8916．4512．6612048．5611．641．211．6420．6116．34

在潮濕空氣環(huán)境中，水分子在鋁合金基體表面結(jié)露后變成水滴，水滴連成片后生成水膜，水膜外離子導(dǎo)電，水膜內(nèi)鋁合金基體導(dǎo)電，構(gòu)成電化學(xué)回路，導(dǎo)致腐蝕反應(yīng)發(fā)生在這層水膜下，化學(xué)反應(yīng)如下。

陽極反應(yīng)：Al-3e→Al3+

陰極反應(yīng)如式(2)所示。因此鋁合金在潮濕空氣環(huán)境中被水膜覆蓋的腐蝕時間越長，發(fā)生腐蝕反應(yīng)的時間也越長，腐蝕就越嚴(yán)重。

腐蝕損傷會造成鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞性能大幅下降，這對其壽命有極大影響[20]。文獻(xiàn)[8,21]指出，最大腐蝕深度和最大開口面積可以作為預(yù)測疲勞壽命時的重要參數(shù)且它們之間的關(guān)系為負(fù)指數(shù)關(guān)系[22]。綜上所述，不同腐蝕環(huán)境會對其腐蝕行為產(chǎn)生影響，其中潮濕空氣對2xxx鋁合金影響較小，而鹽水環(huán)境和模擬油箱積水環(huán)境對其影響較大。

3 結(jié)論

(1)在3.5%NaCl鹽水中，2xxx材料表面點(diǎn)蝕坑的萌生主要發(fā)生在前24 h內(nèi)，其最大腐蝕坑深約為45 μm。在72～120 h范圍內(nèi)，隨預(yù)腐蝕時間的延長腐蝕坑深度的增加并不明顯，腐蝕坑的最大開口面積隨著腐蝕時間的延長而增大，在120 h時達(dá)到23×104μm2。

(2)在模擬油箱積水環(huán)境中腐蝕24～120 h內(nèi)，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕坑最大深度變化不大，且與鹽水環(huán)境中腐蝕深度相近，腐蝕坑最大開口面積有所增加，約在10×104μm2以內(nèi)，比鹽水環(huán)境中開口面積小。

(3)潮濕環(huán)境中試樣的腐蝕程度與鹽水及模擬油箱積水環(huán)境相比明顯減小，其深度約在20 μm以內(nèi)，最大開口面積約為0.5×104μm2。試樣的最大腐蝕坑深度和開口面積隨著腐蝕時間的延長變化并不明顯。

(4)鹽水環(huán)境下，腐蝕坑的數(shù)量隨腐蝕時間的延長變化不大，模擬油箱積水環(huán)境與鹽水浸漬環(huán)境相比，腐蝕坑明顯偏少，而潮濕環(huán)境與鹽水和模擬油箱積水相比腐蝕坑更少，但潮濕環(huán)境中隨著腐蝕時間的增長，表面腐蝕坑越來越多，且不同腐蝕坑的深度差距越來越小。

(5)2xxx鋁合金在潮濕空氣、鹽水和模擬油箱積水環(huán)境中主要發(fā)生了點(diǎn)腐蝕，其中在鹽水環(huán)境中的腐蝕坑開口面積更大、密度更高，而在潮濕空氣中的腐蝕坑開口面積、深度及密度都最小。

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(編輯 王旻玥)

Corrosion Behavior of High Strength Aluminum Alloy under Different Corrosion Environments

ZHOU Song XU Liang HUI Li WANG Lei MA Shaohua HAN Fang

Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital ManufacturingProcess,Shenyang Aerospace University,Shenyang，110136

Aiming at the corrosive material problems caused by harsh environment during the service of aviation aluminum alloy materials, research on the corrosion behavior and mechanism of 2xxx aviation aluminum alloys servicing in different corrosive environments(3.5% NaCl solution, water in fuel tank and wet air) was conducted based on the analyses about the corrosion morphology, openning areas, depths and quantity of the pits, pH values and corrosion products. Results show that corrosion products are mainly found in the first 24 hrs for specimens in 3.5% NaCl solution with the biggest pit depth about 45 μm, with the increase of the corrosion time between 72～120 hrs, the increase of pit depths and quantities are not obvious. The corrosion behavior for specimens in water in fuel tank was similar to that in NaCl solution, but the pit openning areas and quantities decrease dramatically. The corrosion extents for specimens in the wet air decrease compaired with the other two corrosive environments with the least pit quantity, the deepest pit depth is lower than 20 μm and the biggest pit openning area is around 5000 μm2, the differences among pit depths decrease with the increase of corrosion time.

high strength aluminum alloy; corrosion behavior; pitting; corrosive environment; corrosion product

2016-10-17

沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SHSYS2015002)；遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(L2016033)

V252；V216；TG172

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.016

周 松，男，1987年生。沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室工程師。主要研究方向?yàn)楦g環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命評定。許 良，男，1965年生。沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。回 麗(通信作者)，女，1965年生。沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授。E-mail：syhuili@126.com。王 磊，男，1981年生。沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。馬少華，男，1980年生。沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院工程師。韓 放，男，1989年生。沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。