2297-T87鋁鋰合金用于大氣腐蝕性的比較

駱晨，孫志華，湯智慧，陸峰

2297-T87鋁鋰合金用于大氣腐蝕性的比較

駱晨，孫志華，湯智慧，陸峰

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

利用鋁鋰合金的大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)大氣腐蝕性。對(duì)第三代鋁鋰合金2297-T87在6個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露后的腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、腐蝕深度、拉伸性能進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)各地區(qū)大氣腐蝕性。2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島、萬(wàn)寧、永興島暴露1年后出現(xiàn)顯著腐蝕，腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率約為江津的2倍、西雙版納的4倍，北京的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率最低。合金最大腐蝕深度的變化趨勢(shì)與腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率的變化趨勢(shì)一致。觀察橫截面發(fā)現(xiàn)，在萬(wàn)寧、永興島、江津暴露后，合金發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，在腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域下方形成不規(guī)則蝕坑，而在團(tuán)島暴露后，合金內(nèi)部發(fā)生晶間腐蝕。合金在江津、永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島暴露后的拉伸性能仍比較接近，且拉伸強(qiáng)度保持率在90%以上。將2297-T87鋁鋰合金暴露1年后的腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、腐蝕深度作為表征指標(biāo)，獲得各試驗(yàn)站的大氣腐蝕性順序?yàn)椋罕本?西雙版納<江津<永興島<萬(wàn)寧<團(tuán)島。

大氣腐蝕；大氣腐蝕性；鋁鋰合金；自然環(huán)境試驗(yàn)

準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和描述材料在自然環(huán)境中的腐蝕程度和行為是軍工產(chǎn)品合理選材和提高使用壽命的重要保證[1]。材料在自然環(huán)境中的腐蝕隨環(huán)境因素的變化存在很大差別[2-3]。

許多學(xué)者直接對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)各種因素的權(quán)重計(jì)算大氣腐蝕性，或主要從溫度、濕度、污染物三個(gè)方面對(duì)大氣腐蝕性進(jìn)行分類[4-6]。一般認(rèn)為，在各類環(huán)境因素中，對(duì)腐蝕影響最大的是相對(duì)濕度。GB/T 15957—1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》根據(jù)相對(duì)濕度的大小，將大氣環(huán)境分為干燥型（<60%）、普通型（60%~75%）和潮濕型（>75%）三種。王振堯等[3]根據(jù)相對(duì)濕度將我國(guó)大氣腐蝕區(qū)域劃分為五個(gè)區(qū)：未腐蝕區(qū)（<60%），包括新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙等廣大西部區(qū)域；弱腐蝕區(qū)（60%~70%），包括黃河以北廣大地區(qū)；輕腐蝕區(qū)（70%~75%），包括黃河以南、長(zhǎng)江以北廣大地區(qū)；中腐蝕區(qū)（75%~ 80%），包括長(zhǎng)江以南廣大地區(qū)；較強(qiáng)腐蝕區(qū)（>80%），包括海南島、雷州半島及西雙版納熱帶濕潤(rùn)地區(qū)。相對(duì)濕度主要影響材料表面形成潮氣薄膜的時(shí)間。墨淑芬等[7]采用大氣監(jiān)測(cè)電池（ACM）記錄潤(rùn)濕時(shí)間[8]，以薄膜電化學(xué)電池的電流訊號(hào)反映大氣腐蝕性的強(qiáng)弱，采用“濕”時(shí)間分段積分法，來(lái)比較腐蝕量的大小[9]。除了相對(duì)濕度、潮氣薄膜形成時(shí)間，影響大氣腐蝕的關(guān)鍵因素還有二氧化硫和鹽粒子的含量。因此，根據(jù)污染物的性質(zhì)和狀況，大氣環(huán)境可分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣[5,10]。

另外，也可以利用低碳鋼、高純鋅等金屬材料的大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同地區(qū)的大氣腐蝕性進(jìn)行排序，直觀顯示材料在不同地區(qū)的大氣腐蝕情況。相關(guān)大氣腐蝕性分級(jí)技術(shù)形成了GB/T 19292.1—2018《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性第1部分：分類、測(cè)定和評(píng)估》（等效于ISO 9223: 2012 Corrosion of Metals and Alloys—Corrosivity of Atmospheres—Classifi-ca-tion, Determination and Estimation）等標(biāo)準(zhǔn)方法。以已知的大氣腐蝕性的6個(gè)環(huán)境作為標(biāo)本，汪學(xué)華等[11]還采用模糊模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)未知大氣腐蝕性進(jìn)行識(shí)別。吳超等[12]采用有序樣本聚類方法對(duì)國(guó)內(nèi)自然環(huán)境試驗(yàn)站積累的碳鋼腐蝕速率進(jìn)行分析，將大氣腐蝕性的等級(jí)細(xì)化為10級(jí)。

第三代鋁鋰（Al-Cu-Li）合金具有比強(qiáng)度高、剛度高、韌性好的特點(diǎn)，同時(shí)在各向異性方面較上一代鋁鋰合金有大幅度降低，因此，在飛行器結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。然而，由于含較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅元素和鋰元素，鋁鋰合金化學(xué)性質(zhì)活潑[13-14]，易于與外界環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，在合金表面形成腐蝕[15-17]。影響鋁鋰合金腐蝕的環(huán)境因素與影響其他金屬材料腐蝕的環(huán)境因素存在差異，根據(jù)低碳鋼、高純鋅試驗(yàn)結(jié)果確定的大氣腐蝕性不一定適用于鋁鋰合金。

利用鋁鋰合金的大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)大氣腐蝕性的研究還未見(jiàn)報(bào)道。文中對(duì)典型的第三代鋁鋰合金2297-T87大氣腐蝕后的腐蝕質(zhì)量分?jǐn)?shù)、腐蝕速率、腐蝕深度、拉伸性能進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)北京、團(tuán)島、江津、西雙版納、萬(wàn)寧、永興島等地區(qū)的大氣腐蝕性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和試樣

采用國(guó)產(chǎn)第三代鋁鋰合金2297-T87冷軋厚板制備試樣，其名義化學(xué)成分見(jiàn)表1[18]。用于戶外暴露的外觀試樣和腐蝕質(zhì)量損失試樣為四邊形板狀，尺寸為100 mm×50 mm×1 mm；拉伸試樣尺寸為16× 110 mm。機(jī)械加工后，戶外暴露前，所有試樣應(yīng)在丙酮浴中超聲波清洗除油，并以冷空氣流干燥。

表1 2297-T87鋁鋰合金名義化學(xué)成分

Tab.1 Nominal chemical composition of 2297-T87 Al-Cu-Li alloy

1.2 戶外暴露

試樣經(jīng)稱量后，在北京、團(tuán)島、江津、西雙版納、萬(wàn)寧、永興島等6個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行戶外暴露。各試驗(yàn)站氣象因素和污染物參數(shù)見(jiàn)表2[19]。按照GB/T

14165—2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》，在上述自然環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行合金外觀試樣、腐蝕質(zhì)量損失試樣和拉伸試樣各3件的戶外暴露，試樣與水平呈45°朝南露天放置，暴露時(shí)間為1年。

表2 6個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站的環(huán)境參數(shù)

Tab.2 Environmental factors for the six natural environmental test sites

1.3 性能測(cè)試與表征

1）腐蝕產(chǎn)物的清除。戶外暴露后，按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》，采用化學(xué)法清除2297-T87鋁鋰合金板狀試樣表面的腐蝕產(chǎn)物。首先，在流水中用軟毛刷對(duì)試樣進(jìn)行輕微機(jī)械清洗，去除疏松或附著不牢固的腐蝕產(chǎn)物。然后，將試樣浸入20 ~ 25 ℃硝酸（HNO3，=1.42 g/mL）溶液中，一定時(shí)間后從溶液中取出，再次輕刷，并重復(fù)幾次（累計(jì)5 min），以去除變松動(dòng)的腐蝕產(chǎn)物。最后，用去離子水充分清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，以供稱量。化學(xué)法清除腐蝕產(chǎn)物使用的化學(xué)藥品為分析純級(jí)，溶液使用去離子水現(xiàn)行配制。

2）腐蝕速率的測(cè)定。試樣表面腐蝕產(chǎn)物清除后，稱量，精確到0.1 mg。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試樣單位面積的質(zhì)量損失，計(jì)算得到腐蝕速率，由此推斷暴曬點(diǎn)的大氣腐蝕性。

2297-T87鋁鋰合金的腐蝕速率，按式（1）計(jì)算：

corr=Δ/(·) (1)

式中：corr為腐蝕速率，g/(m2·a)；Δ為質(zhì)量損失，g；為表面面積，m2；為暴曬時(shí)間，a。

腐蝕速率corr也可以用μm/a來(lái)表達(dá)，按式（2）計(jì)算：

corr=Δ/(··) (2)

式中：為密度，g/cm3。

3）橫截面金相和最大腐蝕深度。將板狀外觀試樣切割成2 cm×2 cm的方塊，嵌入環(huán)氧樹(shù)脂，樹(shù)脂固化至少12 h。用600#SiC砂紙將試樣研磨至平坦，再用1200#砂紙接著研磨5~10 min。然后用6 μm金剛石膏拋光30 min，去除劃痕等研磨缺陷，再用1 μm金剛石膏繼續(xù)拋光試樣5~10 min。研磨過(guò)程中使用自來(lái)水，拋光過(guò)程中使用無(wú)水潤(rùn)滑劑，確保試樣表面不被腐蝕。最后，試樣在酒精中超聲清洗，并冷風(fēng)干燥。

4）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》，在室溫下，用美國(guó)英斯特朗公司生產(chǎn)的Instron 5882液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試2297-T87鋁鋰合金試樣的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等。測(cè)試結(jié)果取每組3個(gè)平行試樣的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕性能

2.1.1 表面形貌觀察

觀察2297-T87鋁鋰合金在北京、西雙版納、江津、團(tuán)島、萬(wàn)寧和永興島自然環(huán)境試驗(yàn)站經(jīng)歷戶外暴露后的形貌變化，發(fā)現(xiàn)試樣都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕。圖1a為2297-T87鋁鋰合金在北京自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后的照片，表面有零星分布的銹點(diǎn)，即腐蝕產(chǎn)物（Al(OH)3·H2O）覆蓋區(qū)域，覆蓋區(qū)域直徑在幾十至幾百微米之間。2297-T87鋁鋰合金在熱帶雨林大氣環(huán)境（見(jiàn)圖1b）和亞熱帶濕熱大氣環(huán)境（見(jiàn)圖1c）戶外暴露1年后產(chǎn)生分散性白色沉淀，相較于圖1a，合金表面腐蝕產(chǎn)物明顯增多。圖1d—f為2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島、萬(wàn)寧、永興島自然環(huán)境試驗(yàn)站（即溫帶或熱帶海洋大氣環(huán)境）暴露1年后的照片，可見(jiàn)合金表面形成了大量腐蝕產(chǎn)物，腐蝕趨于嚴(yán)重。

2.1.2 腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率和腐蝕深度分析

戶外暴露1年后，2297-T87鋁鋰合金的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率如圖2a所示。將自然環(huán)境試驗(yàn)站按照腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率從小到大的順序排列，則獲得各試驗(yàn)站大氣腐蝕性的順序?yàn)椋罕本?西雙版納<江津<永興島<萬(wàn)寧<團(tuán)島。相應(yīng)氣候的大氣腐蝕性順序?yàn)椋号瘻貛啙駶?rùn)半鄉(xiāng)村氣候<熱帶雨林氣候<亞熱帶濕熱氣候<熱帶海洋島礁氣候<熱帶海洋氣候<溫帶海洋工業(yè)氣候。其中，永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島的大氣腐蝕性居前三位。按1年的腐蝕速率比較，三地腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率約為處于內(nèi)陸的江津2倍；江津的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率又約為同處于濕熱氣候但受工業(yè)和城市污染較小的西雙版納的2倍；北京的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率最低，僅為團(tuán)島的13%。2297-T87鋁鋰合金腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率的排序結(jié)果與之前描述的形貌變化結(jié)果一致。

圖1 2297-T87鋁鋰合金在各自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后的照片

對(duì)比永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島三地戶外暴露2297-T87鋁鋰合金的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率發(fā)現(xiàn)，團(tuán)島地區(qū)明顯高于萬(wàn)寧和永興島地區(qū)。2297-T87鋁鋰合金戶外暴露1年后，團(tuán)島地區(qū)的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率分別為2.4900 g/m2和0.8925 μm/a，萬(wàn)寧地區(qū)為2.1633 g/m2和0.7754 μm/a，而永興島為1.9967 g/m2和0.7157 μm/a。這與團(tuán)島地區(qū)的Cl-濃度略高于萬(wàn)寧、永興島地區(qū)，而SO2濃度明顯高于這兩個(gè)地區(qū)有關(guān)。2297-T87鋁鋰合金永興島地區(qū)的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率結(jié)果在三種海洋大氣環(huán)境中最低，這與該地區(qū)的空氣污染程度較小有關(guān)。

2297-T87鋁鋰合金戶外暴露1年后的腐蝕深度如圖2b所示。由于在北京和西雙版納暴露1年后2297-T87鋁鋰合金的腐蝕程度較低，為了獲得有意義的腐蝕深度數(shù)據(jù)分析結(jié)果，只對(duì)江津、永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島的暴露結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)最大腐蝕深度的變化趨勢(shì)與腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率的變化趨勢(shì)一致，表明大氣腐蝕性按照江津、永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島的順序增強(qiáng)。從最大腐蝕深度的數(shù)值來(lái)看，團(tuán)島地區(qū)的最大腐蝕深度是江津地區(qū)的2倍左右，這也與腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率的結(jié)果一致。永興島的最大腐蝕深度只比江津地區(qū)略高，處于同一水平，而比團(tuán)島的最大腐蝕深度小很多。這說(shuō)明盡管腐蝕速率和最大/平均腐蝕深度都是表征合金經(jīng)歷戶外暴露后在厚度方向減薄程度的數(shù)據(jù)，但存在明顯差異。永興島和江津地區(qū)腐蝕速率分別為0.7157 μm/a和0.4194 μm/a，前者是后者的1.7倍。永興島地區(qū)2297-T87鋁鋰合金最大蝕坑的發(fā)展程度與江津地區(qū)相近，但永興島地區(qū)大小近似的蝕坑數(shù)量較多，導(dǎo)致試樣表面總體的減薄程度較大，而江津地區(qū)的試樣只在較少腐蝕點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了厚度方向的減薄。萬(wàn)寧地區(qū)的平均最大腐蝕深度則在永興島和團(tuán)島之間。

圖2 2297-T87鋁鋰合金在各自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后腐蝕性能對(duì)比

2.1.3 橫截面觀察

鋁合金的腐蝕行為在很大程度上受腐蝕類型的影響。為了確定2297-T87鋁鋰合金的腐蝕類型，對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行橫截面觀察（如圖3所示），截?cái)辔恢茫从^察位置）為試樣表面腐蝕產(chǎn)物沉積最多的區(qū)域。2297-T87鋁鋰合金在萬(wàn)寧、永興島、江津自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后的橫截面光學(xué)顯微圖像如圖3a—c所示。由圖3可見(jiàn)，與合金表面被大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋相比，合金表面以下腐蝕影響區(qū)域較小。合金發(fā)生了點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域下方形成不規(guī)則蝕坑，蝕坑通過(guò)大開(kāi)口通向合金表面。2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后的橫截面光學(xué)顯微圖像如圖3d所示。合金內(nèi)部明顯發(fā)生了晶間腐蝕，較靠近表面區(qū)域（即較早發(fā)生腐蝕的區(qū)域）出現(xiàn)了晶粒溶解的現(xiàn)象，而在距離表面較遠(yuǎn)（即腐蝕擴(kuò)展的前沿區(qū)域）區(qū)域，腐蝕主要沿晶界發(fā)展。晶間腐蝕向合金厚度方向擴(kuò)展，深入合金內(nèi)部，形成網(wǎng)絡(luò)。

圖3 2297-T87鋁鋰合金在各自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后橫截面的光學(xué)顯微圖像

總體上，合金在萬(wàn)寧、永興島、江津暴露1年后，表面蝕坑直徑大，且數(shù)目少。相比之下，在團(tuán)島暴露1年后，表面蝕坑小，且分布分散。另外，上述研究表明，2297-T87鋁鋰合金在溫帶海洋工業(yè)大氣環(huán)境下，主要發(fā)生深入合金內(nèi)部的晶間腐蝕。作為對(duì)比，2297-T87鋁鋰合金在熱帶海洋大氣環(huán)境和亞熱帶濕熱環(huán)境暴露時(shí)，腐蝕類型主要為點(diǎn)蝕。這種情況下，鋁鋰合金主要在晶界區(qū)域受到影響，腐蝕影響區(qū)域細(xì)窄。與發(fā)生點(diǎn)蝕的事件相比，相同的合金體積發(fā)生腐蝕后，腐蝕區(qū)域在合金內(nèi)部擴(kuò)展的距離較長(zhǎng)。因此，主要腐蝕類型為晶間腐蝕的2297-T87鋁鋰合金，最大腐蝕深度的發(fā)展速率較快。

2.2 拉伸性能

2297-T87鋁鋰合金在江津、永興島、萬(wàn)寧、團(tuán)島自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后，其拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度如圖4所示。對(duì)比合金的初始拉伸強(qiáng)度（503 MPa），戶外暴露后拉伸強(qiáng)度的保持率仍在90%以上。

圖4 2297-T87鋁鋰合金戶外暴露1年后的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

氣候越嚴(yán)酷，金屬材料性能往往降低越明顯。由圖4可知，2297-T87鋁鋰合金在江津暴露1年后的拉伸強(qiáng)度最高，說(shuō)明當(dāng)?shù)貧夂蜃顬闇睾?。合金在永興島和萬(wàn)寧暴露1年后的拉伸強(qiáng)度約為江津的93%，說(shuō)明永興島和萬(wàn)寧的氣候更為嚴(yán)酷。合金在這兩個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站暴露1年后，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相近，說(shuō)明盡管兩個(gè)自然環(huán)境試驗(yàn)站的氣候類型不同，年平均溫度、年平均相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)相差較大，但1年內(nèi)它們對(duì)2297-T87鋁鋰合金拉伸性能的影響比較接近。這與前面腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、最大腐蝕深度的分析是一致的。然而，2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島暴露1年后，其拉伸強(qiáng)度高于永興島和萬(wàn)寧的結(jié)果，與江津的暴露結(jié)果接近。這表明當(dāng)?shù)貧夂蜉^為溫和，與前面腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、最大腐蝕深度的結(jié)果是不一致的。推測(cè)這是因?yàn)?297-T87鋁鋰合金的拉伸性能在很大程度上受到了腐蝕類型的影響。2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島暴露1年后發(fā)生了晶間腐蝕。合金中的晶界是相鄰晶間之間的界面，晶間腐蝕可能只發(fā)生在界面的部分區(qū)域，晶粒與晶粒之間仍部分連接。晶間腐蝕使晶界弱化，但并未導(dǎo)致相鄰晶粒之間的結(jié)合力完全喪失。盡管點(diǎn)蝕和晶間腐蝕向深度方向的發(fā)展都減薄了合金的厚度，但在降低承載橫截面積方面，晶間腐蝕沒(méi)有點(diǎn)蝕的影響明顯。

3 討論

環(huán)境因素對(duì)金屬材料產(chǎn)生的腐蝕作用主要分為氣象因素的作用和污染物的作用[27]。氣象因素包括溫度、相對(duì)濕度、霧和凝露、降水、太陽(yáng)輻射、風(fēng)等，其中溫度、相對(duì)濕度、霧日、雨量、雨時(shí)是引起腐蝕的最主要因素，與太陽(yáng)輻射、風(fēng)向風(fēng)速等共同影響金屬表面電解液/水膜的形成。

1）溫度。氣溫的改變會(huì)影響腐蝕的反應(yīng)速率和金屬表面水膜的停留時(shí)間，通常在高溫高濕條件下，金屬的腐蝕會(huì)加快。

2）相對(duì)濕度。在某一臨界值以下時(shí)，金屬腐蝕速率隨相對(duì)濕度增加得并不快；達(dá)到臨界值時(shí)，水膜凝結(jié)增厚，腐蝕速率急劇加快。

3）霧日。霧水沉積在金屬表面產(chǎn)生凝露時(shí)，由于水膜的覆蓋，使金屬表面容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

4）雨量、雨時(shí)。雨水對(duì)金屬材料的腐蝕有重要的影響，雨量表示雨水作用強(qiáng)度，雨時(shí)表示雨水作用時(shí)間。

5）太陽(yáng)輻射。影響金屬表面水膜的停留時(shí)間。

6）風(fēng)向、風(fēng)速。在考慮近海和周邊工業(yè)區(qū)污染的影響時(shí)，應(yīng)將風(fēng)向、風(fēng)速的要素考慮進(jìn)去。

污染物包括鹽水/鹽霧（Cl-）、SO2、H2S、SO42-、NO、固體沉降物等，其中Cl-、SO2、固體沉降物對(duì)腐蝕速率有較大影響。

1）鹽水/鹽霧（Cl-）。增大表面液膜的電導(dǎo)作用，Cl-本身又具有很強(qiáng)的侵蝕性。

2）SO2。在大氣中含量低，但在水中的溶解度高，吸附后使金屬表面水膜中的SO2達(dá)到很高濃度，影響薄液膜的pH值，增加陽(yáng)極的去鈍化作用，加速金屬的腐蝕。我國(guó)大氣腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，銅、鐵、鋅等金屬的腐蝕速率與空氣中的SO2含量成正比。

3）固體沉降物。空氣中的塵埃沉降在金屬表面，被潮濕空氣、凝露及積水形成的表面水膜吸附，其中溶解于水的物質(zhì)改變了水膜的導(dǎo)電性，形成電解質(zhì)溶液，構(gòu)成金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的必要條件。

如前文所述，將2297-T87鋁鋰合金在北京等自然環(huán)境試驗(yàn)站戶外暴露1年后的腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、腐蝕深度作為表征指標(biāo)，可以確定各地大氣腐蝕性的順序?yàn)椋罕本?西雙版納<江津<永興島<萬(wàn)寧<團(tuán)島。團(tuán)島的大氣腐蝕性最強(qiáng)，一方面是由于與其他地區(qū)相比，團(tuán)島地區(qū)年溫差和日溫差較大，降霧次數(shù)和降雨量明顯比內(nèi)陸地區(qū)多，可使金屬表面形成薄水膜，且保存時(shí)間長(zhǎng)；另一方面，由于離海近，Cl-的含量較高，且受青島城市和工業(yè)的共同影響，大氣污染物的含量偏高，尤其是SO2的含量很高，大氣污染物吸附于金屬表面的水膜中，形成成分復(fù)雜的電解液，使大氣腐蝕加速。

相比之下，萬(wàn)寧、永興島同樣臨海，且其他條件與團(tuán)島基本相同，但由于遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)，SO2含量較低。2297-T87鋁鋰合金在萬(wàn)寧、永興島的腐蝕速率明顯低于團(tuán)島。重慶江津濕熱天氣多、霧多，且大氣中SO2的含量較高，但其他大氣污染物成分含量較低，故2297-T87鋁鋰合金在江津的腐蝕速率沒(méi)有團(tuán)島高。

實(shí)際上，Cl-是誘發(fā)鋁鋰合金腐蝕的主要因素，而對(duì)于腐蝕在鋁合金中的擴(kuò)展，溶液pH值和Cl-的作用同樣重要。2xxx鋁合金（Al-Cu-X）含銅量較高，SO2在合金試樣表面液膜中溶解，使溶液pH值降低，形成酸性環(huán)境，有助于Cu元素從合金基體、金屬間化合物粒子向表面液膜擴(kuò)散溶解。當(dāng)液膜中的Cu元素含量超過(guò)飽和濃度后，又重新從溶液中析出，沉積在合金表面，形成微區(qū)陰極，促進(jìn)腐蝕擴(kuò)展[28-30]。另外，若干關(guān)于鋁合金腐蝕機(jī)理的研究表明，NaCl和HCl的混合溶液比NaCl溶液更易誘發(fā)鋁合金的晶間腐蝕[31-32]。因此，腐蝕過(guò)程中受SO2等污染物的影響不容忽視，這是導(dǎo)致2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島地區(qū)的腐蝕質(zhì)量損失和腐蝕速率高于萬(wàn)寧、永興島地區(qū)的原因。

4 結(jié)論

1）將2297-T87鋁鋰合金戶外暴露1年后的腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、腐蝕深度作為表征指標(biāo)，獲得各自然環(huán)境試驗(yàn)站大氣腐蝕性的順序?yàn)椋罕本?西雙版納<江津<永興島<萬(wàn)寧<團(tuán)島。相應(yīng)氣候的大氣腐蝕性順序?yàn)椋号瘻貛啙駶?rùn)半鄉(xiāng)村氣候<熱帶雨林氣候<亞熱帶濕熱氣候<熱帶海洋島礁氣候<熱帶海洋氣候<溫帶海洋工業(yè)氣候。

2）團(tuán)島溫差大的氣候特點(diǎn)，造成了霧和輕霧等天氣較多，從而使合金表面形成穩(wěn)定薄水膜的時(shí)間長(zhǎng)，且受青島城市大氣影響，大氣中Cl-和SO2含量較高，加速了2297-T87鋁鋰合金的腐蝕。

3）2297-T87鋁鋰合金在團(tuán)島地區(qū)暴露后，其最大腐蝕深度值最高，合金已經(jīng)發(fā)生了晶間腐蝕。

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Comparison of Atmospheric Corrosivity of 2297-T87 Al-Cu-Li Alloy

LUO Chen, SUN Zhi-hua, TANG Zhi-hui, LU Feng

(AECC Key Laboratory on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Materials, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The paper aims to evaluate the atmospheric corrosivity by the results of atmospheric corrosion testing of Al-Cu-Li alloy. Corrosion weight loss, corrosion rate, corrosion depth and tensile properties of a 3rdgeneration Al-Cu-Li alloy 2297-T87 after outdoor exposure in six natural environmental test sites were analyzed to systematically evaluate the atmospheric corrosivity in different regions. Corrosion was evident in 2297-T87 Al-Cu-LI alloy after exposure in Tuandao, Wanning and Yongxing Island. The corresponding corrosion weight loss and corrosion rate were approximately 2 times of those in Jiangjin, and 4 times of those in Xishuangbanna. Corrosion weight loss and corrosion rate in Beijing were the lowest. The changing trend of maximum corrosion depth of the alloy was in line as the corrosion weight loss and corrosion rate. Cross-sectional examination revealed severe pitting in the alloy after exposure in Wanning, Yongxing Island and Jiangjin with irregular pits formed underneath the corrosion product region. Intergranular corrosion was evident in the alloy after exposure in Tuandao. The tensile properties of alloy in Jiangjin, Yongxing Island, Wanning and Tuandao were similar and the tensile stress retention was over 90%. Using corrosion weight loss, corrosion rate and corrosion depth as characterization index, the sequence of atmospheric corrosivity in different test sites is determined as Beijing < Xishuangbanna

atmospheric corrosion; atmospheric corrosivity; Al-Cu-Li alloy; natural environmental test

2020-03-16；

2020-04-18

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.002

TG172.3

A

1672-9242(2020)05-0010-08

2020-03-16；

2020-04-18

國(guó)防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JSHS2017213B001）

National Defense Science, technology and Industrial Technology Basic Scientific Research Project (JSHS2017213B001)

駱晨（1984—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與觀測(cè)、腐蝕與防護(hù)。

LUO Chen (1984—), Male, Ph. D., Researcher, Research focus: environmental testing and observation, corrosion and protection.