5%NaCl 鹽霧環(huán)境對鋁合金鉚接防護結(jié)構(gòu)性能影響研究

韓允，趙連紅，張紅飛，葉遠珩，劉成臣，劉元海，王浩偉

（1.海裝武漢局業(yè)務(wù)處，武漢 430080；2.中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系列鋁合金，其高強度和高抗疲勞性能等諸多優(yōu)點[1-2]在航空制造使用中發(fā)揮著重要作用。通常以蒙皮、隔框、翼肋、翼梁等形式運用到飛機結(jié)構(gòu)中。隨著飛機在沿海地區(qū)和海域的服役機會逐漸增多，長期的高鹽霧、高濕熱等嚴酷海洋環(huán)境極易引起2024 鋁合金材料腐蝕[3-5]。鋁合金鉚接連接結(jié)構(gòu)作為飛機常用結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)縫隙處/結(jié)構(gòu)連接涂層破壞處，腐蝕介質(zhì)會積聚，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)與金屬基體接觸產(chǎn)生腐蝕。劉祖銘[6]指出，在腐蝕環(huán)境作用下，無論是外部結(jié)構(gòu)還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同金屬的緊固件和連接件，還是同種金屬的緊固件和連接件，腐蝕損傷和破壞常首先在這些部位發(fā)生。連接結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷直接影響飛機安全和可靠性[7-9]，腐蝕環(huán)境/疲勞載荷交替作用下研究金屬的腐蝕疲勞壽命是結(jié)構(gòu)壽命評定的常用方法[10-12]。張海威[13]提出腐蝕/疲勞交替作用下飛機金屬材料的疲勞壽命計算方法，研究了2Al2-T4 鋁合金在腐蝕/疲勞交替作用下結(jié)構(gòu)壽命的退化狀況。陳群志[14]等采用周期浸潤加速腐蝕試驗與疲勞試驗相結(jié)合的方法，研究特定條件下疲勞載荷與腐蝕環(huán)境交替作用對某型飛機機翼主梁疲勞壽命的影響。楊曉華等[15]提出腐蝕環(huán)境/疲勞載荷交替作用的腐蝕/疲勞累積遲滯模型。李昌范[16]提出7B04-T6 鋁合金腐蝕疲勞交替壽命預(yù)測模型。這些研究主要是不同腐蝕環(huán)境下金屬材料腐蝕疲勞性能退化規(guī)律和疲勞壽命預(yù)測計算方法等方面的研究，而對于不同防護涂層下金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞研究相對較少。在這樣的研究背景下，文中研究在不同防護涂層、不同載荷大小下鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞性能，按照“疲勞加載-腐蝕環(huán)境”交替試驗方法[15-16]，開展腐蝕疲勞試驗，對比鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命值，研究5%NaCl 鹽霧環(huán)境下不同載荷對鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗件

試樣材料為2024 板材，其化學(xué)成分見表1。試驗件為啞鈴狀試驗，連接形式為鋁制鉚釘連接。試驗件的平行試樣數(shù)量為5 件，其長度為393.28 mm，如圖1 所示。試驗件表面處理采用硫酸陽極化，試驗件選用兩種典型的防護體系。其中，防護涂層N1 由新型納米涂料（40～50 μm）+TS96-71 面漆（40～50 μm）構(gòu)成；防護涂層N2 由TB06-9 底漆（15～25 μm）+TS96-71 面漆（40～50 μm）構(gòu)成。對N1 涂層的噴涂過程是：內(nèi)表面噴涂新型納米涂料底漆1 層（有機-無機納米聚硅氧烷涂料）+外表面噴涂TS96-71 面漆1 層；對N2 涂層，內(nèi)表面噴涂TB06-9 底漆2 層+外表面噴涂TS96-71 面漆1 層。

表1 試驗材料的化學(xué)成分 %

圖1 鉚接試驗件

1.2 試驗過程

按照《航空材料環(huán)境試驗及表面防護技術(shù)》關(guān)于典型結(jié)構(gòu)試樣評定涂層防護有效性評估方法的試驗過程要求，開展鋁制鉚接試驗件腐蝕疲勞試驗。首先采用靜力試驗確定鉚釘連接試驗件破壞載荷P破壞均為74 981 N，確定試驗件在0.3P破壞載荷和0.25P破壞載荷的疲勞壽命分別為NP1、NP2。按照兩種載荷疲勞壽命的20%作為每次加載的次數(shù)，即每次加載的壽命記為Nui，i=1，2。試驗件破壞之前最后一次剩余疲勞壽命記為Nu剩余，具體試驗步驟如下所述。

1）將試驗件安裝于疲勞試驗機上，取靜力破壞試驗載荷0.3P破壞作為疲勞試驗載荷，應(yīng)力比為R=0.5，以10 Hz 頻率加載20%NP次。對試樣進行目視，記錄實際加載次數(shù)Nu1，檢查記錄試驗件防護涂層、鉚釘以及試驗件表面損傷狀態(tài)。

2）取下試驗件，將試驗件放置于試驗室中進行30 天標準中性鹽霧（5%NaCl）試驗，對試樣進行檢測，并記錄防護涂層、鉚釘和試驗件表面腐蝕程度。

3）重復(fù)步驟1）、2）1 次，將試驗件安裝于疲勞試驗機上，取靜力破壞試驗載荷0.3P破壞作為疲勞試驗載荷，應(yīng)力比為R=0.5，以10 Hz 頻率加載至試驗件破壞。分別記錄試驗件的Nu2，Nu3，…和剩余疲勞壽命Nu剩余，檢測并記錄試樣破壞形貌，進行破壞特性分析。

4）按照步驟1）、2）、3），開展0.25P破壞載荷的腐蝕疲勞試驗，直至試驗結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載荷條件下鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞性能

0.3P破壞載荷下，鋁制鉚釘連接試驗件的疲勞壽命NP=0.3為325 807，LZMDLJ11 試驗件（納米涂料防護體系）在腐蝕環(huán)境下其疲勞壽命下降至自身疲勞壽命的22.56%左右，GZLSLJ21 試驗件（2 層TB06-9+1層TS96-71 防護體系）下降至22.32%左右。按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》，疲勞中值壽命要滿足95%置信度要求。LZMDLJ11 試驗件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的5 組腐蝕疲勞壽命值的變異系數(shù)為0.0034；GZLSLJ21 試驗件為0.0262，符合HB 5287—1996 的要求。同時對數(shù)腐蝕疲勞壽命數(shù)據(jù)都經(jīng)過H 檢驗法檢驗[17]，試驗數(shù)據(jù)合理有效。

0.25P破壞載荷下，鋁制鉚釘連接試驗件的疲勞壽命NP=0.25為436 186，LZMDLJ12 試驗件（納米涂料防護體系）在腐蝕環(huán)境下其疲勞壽命下降至自身疲勞壽命的24.73%左右，GZLSLJ22 試驗件（2 層TB06-9+1 層TS96-71 防護體系）下降至23.77%左右。LZMDLJ12 試驗件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的5 組腐蝕疲勞壽命值的變異系數(shù)為0.036；GZLSLJ22 試驗件為0.0235，符合HB 5287—1996 的要求。同時對數(shù)腐蝕疲勞壽命數(shù)據(jù)都經(jīng)過H 檢驗法檢驗[17]，試驗數(shù)據(jù)合理有效。

通過對比分析兩種疲勞載荷條件下鋁制鉚釘連接試驗件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的腐蝕疲勞壽命，5%NaCl 鹽霧環(huán)境對鋁制鉚釘連接試驗件腐蝕影響較為嚴重。兩種疲勞載荷對試驗件腐蝕疲勞性能影響比較而言，腐蝕環(huán)境對0.25P破壞載荷下的腐蝕疲勞壽命影響較少。在“疲勞加載-腐蝕環(huán)境”交替循環(huán)模式下，第1 次加載的疲勞載荷作用對第2 次疲勞載荷下的裂紋形成“滯后”作用，符合“低載鍛煉效應(yīng)[15]”。相較于0.3P破壞載荷而言，0.25P破壞載荷下腐蝕產(chǎn)生的“遲滯效應(yīng)”更強，使得鋁合金鉚接試驗件腐蝕疲勞壽命值減低量少。

表2 腐蝕疲勞試驗后鉚接結(jié)構(gòu)試驗的殘余疲勞壽命

2.2 試驗結(jié)果分析

在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下，鋁制鉚釘連接試驗件均在第二個周期的試驗中破壞斷裂，疲勞破壞的位置均在試驗件鉚接部位第一排緊固件孔區(qū)域，具體腐蝕情況和斷裂形貌如圖2 所示。在0.3P破壞載荷的腐蝕疲勞試驗中，鋁制鉚接連接試驗件通過納米涂料和傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆）兩種涂層的防護，腐蝕疲勞壽命值下降為其疲勞壽命值的22%左右。0.25P破壞載荷的腐蝕疲勞試驗中，兩種涂層防護的腐蝕疲勞壽命值下降為其疲勞壽命值的24%左右。說明鋁制鉚接連接試驗件在受到較大疲勞載荷作用下，試驗件緊固件孔壁與鉚釘?shù)耐繉拥钠茐膮^(qū)域較多，如圖3 所示。腐蝕介質(zhì)穿過已經(jīng)破壞的涂層，破壞緊固件孔壁表面處理膜，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)與緊固件孔壁涂層內(nèi)部金屬基體接觸，鋁合金材料中的陽極相在腐蝕環(huán)境下會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。由于晶界中陽極相的存在，腐蝕優(yōu)先沿晶界擴展，發(fā)生晶間腐蝕。同時腐蝕介質(zhì)中C1-具有極強的穿透性，會沿試樣表面腐蝕方向繼續(xù)向下發(fā)展，形成點蝕坑。隨著腐蝕時間的進一步延長，點蝕坑數(shù)量增多，面積不斷增大。試驗件在后面的疲勞加載過程中，腐蝕環(huán)境試驗形成的點蝕作為損傷源，在試驗件緊固件孔壁表面受交變載荷作用，將形成方向性的損傷。這不僅加速了緊固件孔壁表面涂層和鈍化膜的破裂，而且緊固件孔壁蝕坑處應(yīng)力集中會使疲勞損傷在蝕坑周圍進一步擴展，使材料產(chǎn)生沿晶開裂，形成小裂紋，并產(chǎn)生相互連接的趨勢，極大地促進鋁合金孔壁腐蝕疲勞提前發(fā)生，導(dǎo)致鋁制鉚接連接試驗件的腐蝕疲勞壽命值大幅減少。

圖2 鋁制鉚釘鉚接試驗件腐蝕疲勞試驗斷口照片

圖3 GZLSLJ21 鋁制鉚釘鉚接試驗件破壞照片

開展5%NaCl 鹽霧環(huán)境下兩種載荷下2024 鋁合金連接件的腐蝕疲勞試驗，對比2024 鋁合金連接件在兩套涂層體系下的腐蝕疲勞壽命。針對納米涂料試驗件 LZMDLJ11、LZMDLJ12 與傳統(tǒng)涂層試驗件GZLSLJ21、GZLSLJ22，疲勞載荷為0.3P破壞載荷時，LZMDLJ11 的腐蝕疲勞壽命下降到疲勞壽命22.561%、GZLSLJ21 下降到22.324%；而疲勞載荷為0.25P破壞載荷時，LZMDLJ12 腐蝕疲勞壽命下降到疲勞壽命24.729%，GZLSLJ22 下降到23.771%。這說明在5%NaCl 鹽霧腐蝕環(huán)境下，不同防護涂層對鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命有影響，載荷的大小對鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命也有影響。在“疲勞加載-腐蝕環(huán)境”交替循環(huán)模式相同的情況下，分別對比分析同種涂層在兩種不同載荷作用下的腐蝕疲勞壽命，兩種涂層試驗件均表現(xiàn)出在0.3P破壞的腐蝕疲勞壽命比0.25P破壞的壽命下降量大的特點。按照李昌范[16]的預(yù)測模型，在“疲勞加載-腐蝕環(huán)境”交替循環(huán)模式中，30 天的5%NaCl 鹽霧環(huán)境試驗前后兩次加載0.3P破壞載荷（或者 0.25P破壞載荷），同時考慮了5%NaCl 鹽霧環(huán)境和載荷的共同作用，相當于常規(guī)條件下的低-高兩級加載。在兩級載荷加載形式中，第1次載荷相對第2 次載荷都具有“低載鍛煉效應(yīng)”[15]，能有效降低載荷對于試驗件的腐蝕疲勞壽命影響。因此，“疲勞加載-腐蝕環(huán)境”交替循環(huán)模式下，疲勞載荷大小對“低載鍛煉效應(yīng)”有影響，在5%NaCl 鹽霧腐蝕環(huán)境下，相較于0.3P破壞載荷而言，0.25P破壞載荷下腐蝕產(chǎn)生的“遲滯效應(yīng)”會增加。

3 結(jié)論

1）5%NaCl 鹽霧環(huán)境對于鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命影響較大，Cl-增加了鋁合金緊固件孔壁腐蝕損傷的敏感性，加大了緊固件孔壁裂紋源發(fā)生概率，降低了結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

2）在5%NaCl 鹽霧腐蝕環(huán)境下，納米涂層和傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆）兩種試驗件，相較于0.3P破壞載荷，0.25P破壞載荷下腐蝕產(chǎn)生的“遲滯效應(yīng)”會增加。

3）疲勞載荷從涂層防護效果和腐蝕疲勞載荷鍛煉效應(yīng)兩方面影響鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞性能，因此，結(jié)構(gòu)的載荷大小對于結(jié)構(gòu)涂層維護和日歷壽命評定有重要影響。