航空鋁合金應(yīng)力腐蝕研究前景

郭一，黃智勇，金國鋒，田干

(火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

航空航天鋁合金必須承載結(jié)構(gòu)和空氣動力負(fù)荷，同時價格低廉且容易制作[1-4]。除了高機(jī)械性能和長期耐久性，更至關(guān)重要的是材料必須具備更大的強(qiáng)度重量比[5-6]。

鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，是一種由拉伸載荷的聯(lián)合作用引起的現(xiàn)象[7]，而強(qiáng)度越高的鋁合金越敏感[8-10]。應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂紋首先出現(xiàn)在材料表層的缺陷位置，往往在外觀無明確預(yù)兆的情況下突然斷裂，嚴(yán)重威脅飛行器和工作人員的安全[11-12]。因此，在航天航空領(lǐng)域，研究鋁合金的應(yīng)力腐蝕對于其性能及壽命的提升有著重要意義。

1 應(yīng)力腐蝕機(jī)理

影響鋁合金SCC過程的因素主要包括腐蝕介質(zhì)以及應(yīng)力[13-14]。鋁合金的種類眾多，腐蝕環(huán)境也各種各樣，所以在不同的情形下有不同的應(yīng)力腐蝕機(jī)理。目前這些腐蝕機(jī)理尚未統(tǒng)一，主要的腐蝕機(jī)理有以下幾種：

陽極溶解理論：首先由Dix等[15]在1940年提出。材料在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生有利的腐蝕路徑，即陽極被氧化溶解，并且形成的裂紋不斷蔓延，從而導(dǎo)致合金的損壞。陽極溶解理論又可細(xì)分為三種：陽極通道理論、滑移溶解理論以及膜溶解理論。其中最常用的是滑移溶解理論。最初是由Champion以及Logant提出[16]，1965年，Swann與Embury又加以修正[17-18]。鋁合金的表層與空氣或其它腐蝕介質(zhì)接觸容易形成一層鈍化膜，由于施加的應(yīng)力造成其發(fā)生位錯滑出表面產(chǎn)生滑移階梯，最終導(dǎo)致局部氧化膜破裂露出材料基體進(jìn)而引起溶解腐蝕，造成裂紋不斷擴(kuò)展以致斷裂。

氫致開裂理論：由于應(yīng)力產(chǎn)生的位錯導(dǎo)致了裂紋尖端吸附氫原子的速率加快，使晶界之間的結(jié)合強(qiáng)度下降從而發(fā)生SCC[19-20]。

機(jī)械理論：1961年，Paugh和Jones[21]提出的關(guān)于SCC最簡單的機(jī)理。他們認(rèn)為裂紋的擴(kuò)展主要是由機(jī)械作用造成。鋁合金在加載應(yīng)力之后，晶界比晶粒更容易遭到腐蝕介質(zhì)的侵蝕，從而使裂紋不斷蔓延擴(kuò)大。

2 航空鋁合金的應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展

目前來說，航空領(lǐng)域最常用的變形鋁合金有2xxx系(Al-Cu系)、6xxx系(Al-Si-Mg系)、7xxx系(Al-Zn系)以及Al-Li系合金[22]；而鑄造鋁合金的牌號以及使用量較少，主要應(yīng)用的是Al-Si系和Al-Cu 系[23]。

2.1 變形鋁合金

2xxx系鋁合金主要以Cu為合金元素，是鋁合金歷史中出現(xiàn)最早、應(yīng)用時間最長的中等強(qiáng)度的鋁合金材料，至今仍廣泛應(yīng)用在航空飛行器的結(jié)構(gòu)部位諸如蒙皮、框、肋和螺旋槳槳葉上。Choi與Kim等[24]利用恒載荷試驗(yàn)法和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)法，在陰極外加電位下，分別測試了2024-T2、2124-T851以及2050-T84合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中的SCC敏感性。兩種實(shí)驗(yàn)方法下，2124-T851和2050-T84試樣的拉伸延性降低可以忽略不計(jì)，證明了2xxx系列鋁合金經(jīng)過熱處理后的SCC敏感性會降低。與2124-T851和2050-T84相比，2024-T2中Fe與Si元素含量較高，相當(dāng)于以雜質(zhì)的形式存在，通過沉淀混合物促進(jìn)腐蝕損害材料。Lee和Kim等[25]采用同樣的方法對2024-T351在不同試驗(yàn)變量下進(jìn)行了檢測。在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中，SCC以不同的速率沿著不同的晶粒方向延伸，最終導(dǎo)致了其力學(xué)性能的下降，同時證明了在陽極和陰極施加電位時，2024-T351合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中是由陽極溶解和氫致開裂共同導(dǎo)致其應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

7xxx系鋁合金主要以Zn為主合金元素，其發(fā)展和應(yīng)用稍晚，始于20世紀(jì)30年代，廣泛用于蒙皮、壁板等機(jī)體關(guān)鍵件。Prasanta與Ghosh[26]研究了T6熱處理下的7017和7150鋁合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中的自由腐蝕和外加陽極電位下的慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，T6狀態(tài)下的7017合金的SCC現(xiàn)象并不明顯，而T6狀態(tài)下的7150合金易發(fā)生SCC。在施加陽極電位時，兩種合金的SCC現(xiàn)象都很嚴(yán)重。通過電鏡觀察試樣表面、斷口以及裂縫，可以推測7150合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理是晶界析出物的陽極溶解伴隨氫致裂紋；而7017合金是由局部陽極溶解從而導(dǎo)致SCC。Oger與Andrieu等[27]選擇了低腐蝕敏感性的合金7046-T4研究其SCC機(jī)制。將合金在0.6 mol/L 的氯化物溶液中浸泡后以10-3s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行試驗(yàn)。對于預(yù)腐蝕的樣品觀察到機(jī)械性能的損失，歸因于氫的吸收、擴(kuò)散，影響合金表面下的體積并改變其機(jī)械性能，通過電鏡觀察驗(yàn)證了氫致開裂是造成SCC的主要機(jī)制。

航空領(lǐng)域?qū)︿X鋰合金的使用主要開始于第二代鋁鋰合金[28]，鋁鋰合金在空氣動力學(xué)領(lǐng)域被廣泛認(rèn)為是一種理想的輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料[29]，并且被NASA制成航天飛機(jī)的低溫推進(jìn)劑罐。Zhao與Yu等[30]通過慢應(yīng)變速率法研究了2297鋁鋰合金在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液和CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中的SCC敏感性。2297鋁鋰合金在CP溶液中無SCC行為；而在CPS溶液中，隨著應(yīng)變速率由10-5s-1降低到10-7s-1，SCC敏感性先上升后下降，在10-6s-1時達(dá)到最大值。結(jié)果表明，在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液中，H2O2促進(jìn)2297鋁鋰合金的溶解，造成較大的腐蝕侵蝕；在CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中，硫酸根離子的存在使腐蝕速率下降導(dǎo)致應(yīng)力集中從而發(fā)生SCC。其SCC行為受到裂紋尖端和裂紋壁區(qū)域陽極溶解的顯著影響。此外，作為裂縫的優(yōu)選起始位點(diǎn)，凹坑對2297鋁鋰合金的SCC也有較大影響。Goebel等[31]通過四點(diǎn)彎曲法和慢應(yīng)變速率法對第三代鋁鋰合金2099-T86進(jìn)行試驗(yàn)。施加應(yīng)力的樣品中皆為選擇性晶粒發(fā)生點(diǎn)蝕，兩種測試方法顯示出相似的形態(tài)。在試樣的壓縮以及拉伸側(cè)都發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，說明試樣拉伸側(cè)的凹坑深度在不斷增加。而電化學(xué)分析也印證了應(yīng)力加載下的試樣具有較高的腐蝕活性。

2.2 鑄造鋁合金

鑄造鋁合金是將純鋁在熔融狀態(tài)下，然后加入其它元素來改良其性質(zhì)，同時，還能保留鋁自身的優(yōu)良性能。鑄造鋁合金主要包括：Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。其中，Al-Si系和Al-Cu系應(yīng)用較多。

鑄造鋁合金中最常用的就是Al-Si系合金，主要用于制造儀器儀表等附件。李晨等[33]利用自制的載荷傳感器將ZL101合金浸入至酸性介質(zhì)中(3.5% HCl+NaCl的飽和溶液)研究其應(yīng)力腐蝕開裂性能。結(jié)果表明，ZL101合金的SCC十分明顯，在拉伸的狀態(tài)下SCC現(xiàn)象更為嚴(yán)重，產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速率大于其壓縮狀態(tài)。觀察斷口形貌發(fā)現(xiàn)其腐蝕行為沿晶界不斷蔓延，為陽極溶解和機(jī)械損傷共同導(dǎo)致。上官曉峰等[34]利用恒定載荷法研究了鑄造鋁合金A356在0.6 mol/L氯化鈉溶液中的SCC特性，結(jié)論與李晨等相似，通過觀察，在斷口處發(fā)現(xiàn)了穿晶脆性斷裂形貌，為陽極溶解和機(jī)械損傷共同作用，但是以陽極溶解為主。

Al-Cu系鑄造鋁合金是強(qiáng)度最高的一類鋁合金，在加入其它元素后，力學(xué)性能有了大幅度的提高，適于制造航空發(fā)動機(jī)及附件零件，如機(jī)匣、殼體等。劉家軍[35]通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)以及恒載荷法等方法研究了ZL205A鑄造鋁合金的SCC性能。最終得出在T6熱處理狀態(tài)下的ZL205A鋁合金的SCC現(xiàn)象不明顯，在0.6 mol/L的氯化鈉中具有很高的抗SCC性能。通過觀察斷口形貌分析，其應(yīng)力腐蝕機(jī)理為陽極溶解，施加應(yīng)力之后，其表面形成滑移臺階，最終裂紋尖端被氧化、鈍化，阻礙裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié)束語

大部分航空應(yīng)用鋁合金的抗SCC特性較差，其中，變形鋁合金的SCC機(jī)理主要以陽極溶解和氫致開裂共同導(dǎo)致；鑄造鋁合金則以陽極溶解為主，機(jī)械損傷為輔。盡管航空鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕已經(jīng)得到了一定的改善，可以通過增強(qiáng)其熱處理機(jī)制等方法來實(shí)現(xiàn)，但是這個問題仍不能掉以輕心。目前，鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理尚未統(tǒng)一，仍需要進(jìn)行更深層次的試驗(yàn)及研究去解釋應(yīng)力腐蝕敏感性變化的原因。隨著人們對鋁合金越來越重視，研究逐步深入以及新技術(shù)新工藝的出現(xiàn)，新型號的鋁合金會具備更有益的綜合性能。