兩種典型大氣環(huán)境下7A85鋁合金的腐蝕行為研究

趙全成 ，羅來正，黎小鋒，蘇艷

（1.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，736200；3.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

7A85鋁合金是鋁-鋅-鎂-銅系可熱處理強化的高強度變形鋁合金，是我國研制出的與美國7085性能相當(dāng)?shù)匿X合金，屬于第4代航空鋁合金[1]。由于其獨特的淬透性能，已成為航空工業(yè)大規(guī)格高強鋁合金鍛件主要用材[2-6]。目前，關(guān)于7A85鋁合金腐蝕行為的研究主要集中于熱處理和表面處理等對7A85鋁合金腐蝕影響[7-9]。柏璠等[10]研究了時效工藝對7A85鋁合金力學(xué)和晶間腐蝕性能的影響，對比分析了4種時效工藝對合金抗晶間腐蝕影響。姚曉紅等[11]研究了多種時效制度對7A85鋁合金耐晶間腐蝕的影響，研究結(jié)果表明，7A85鋁合金晶間腐蝕敏感性隨時間的延長而降低。李重陽等[12]研究了微弧氧化與稀土鈰鹽封孔處理后 7A85鋁合金的耐腐蝕性能和耐摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)微弧氧化陶瓷膜和稀土鈰鹽封孔能夠進一步提高合金的耐蝕性能。

7A85鋁合金作為我國新型飛機重要承力結(jié)構(gòu)材料[13-14]，服役過程中會遭遇海洋大氣、干熱沙漠等多種嚴(yán)酷使用環(huán)境，大氣環(huán)境中濕度、腐蝕介質(zhì)等因素勢必對合金造成腐蝕影響。目前，關(guān)于7A85鋁合金大氣環(huán)境中腐蝕行為的研究鮮見報道，為摸清 7A85鋁合金在大氣環(huán)境中的腐蝕行為，文中針對7A85鋁合金分別在我國濕熱海洋大氣環(huán)境的海南萬寧試驗站和干熱沙漠大氣環(huán)境的甘肅敦煌試驗站開展了大氣環(huán)境試驗，研究掌握了7A85鋁合金在我國兩種典型大氣環(huán)境中的腐蝕特征及規(guī)律。研究結(jié)果將為7A85鋁合金在航空、航天等裝備的工程應(yīng)用提供重要的參考。

1 試驗

1.1 樣品

試驗樣品為7A85鋁合金，其化學(xué)成分見表1。試驗樣品包括腐蝕質(zhì)量損失樣品（100 mm×50 mm×3 mm）及棒材拉伸樣品。

表1 7A85鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composite of 7A85 Aluminum alloy

1.2 自然環(huán)境暴露試驗

1）試驗環(huán)境：試驗環(huán)境為濕熱海洋大氣環(huán)境的海南萬寧試驗站，以及干熱沙漠大氣環(huán)境的甘肅敦煌試驗站，所有樣品均采用戶外暴露試驗方式。

2）試驗方法：樣品朝南并與水平成45°傾角，所有樣品均參照GB/T 14165—2008《金屬和合金 大氣腐蝕試驗 現(xiàn)場試驗的一般要求》進行投試。

1.3 樣品檢測與分析

1）金相顯微分析：將試驗前后樣品垂直剖開，對其斷面進行拋光，使用Observe.A1m型金相顯微鏡對樣品斷面進行金相顯微觀察。

2） 力學(xué)性能：樣品的力學(xué)性能測試參照 GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》執(zhí)行。

2 分析與討論

2.1 腐蝕特征分析

7A85鋁合金暴露于濕熱海洋、干熱沙漠兩種典型大氣環(huán)境下的宏觀腐蝕特征變化情況見表2，兩種典型大氣環(huán)境的環(huán)境參數(shù)見表 3，7A85鋁合金兩種典型大氣環(huán)境暴露1.5 a的宏觀腐蝕形貌如圖1所示。

圖1 7A85鋁合金在兩種典型大氣環(huán)境中暴露1.5 a的宏觀腐蝕形貌Fig.1 Macro corrosion morphology of 7A85 aluminum alloy exposed for 1.5 years in two typical atmospheric environments： a) Wanning； b) Dunhuang

表2 7A85鋁合金兩種典型大氣環(huán)境下宏觀腐蝕特征變化情況Tab.2 Macro corrosion characteristics of 7A85 aluminum alloy in two typical atmospheric environments

由表2得知，7A85鋁合金暴露于萬寧站1個月，表面布滿大量點蝕坑；暴露3個月，表面出現(xiàn)大量白色腐蝕產(chǎn)物；暴露18個月，表面出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積現(xiàn)象。7A85鋁合金暴露于敦煌站3個月，表面出現(xiàn)少量麻點；暴露12個月，表面出現(xiàn)點蝕。隨著暴露時間進一步延長，表面腐蝕未出現(xiàn)特別明顯的變化?？梢钥闯?，兩種環(huán)境下7A85鋁合金腐蝕情況存在較大程度的區(qū)別，濕熱海洋大氣環(huán)境下7A85鋁合金的腐蝕程度明顯大于干熱沙漠大氣環(huán)境。

表3 兩個試驗站的環(huán)境參數(shù)Tab.3 Environmental parameters of two test sites

由表3環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)得知，敦煌站的平均相對濕度特別低，僅為41%。該相對濕度遠小于鋁合金的臨界相對濕度（65%），正是因為這個原因，鋁合金表面難以形成有效的連續(xù)薄液膜。一旦鋁合金表面生成腐蝕產(chǎn)物膜，由于相對濕度低，腐蝕產(chǎn)物膜對基體具有一定的保護作用，會阻止腐蝕的進一步發(fā)生。因此，7A85鋁合金在干熱沙漠環(huán)境的腐蝕程度小于濕熱海洋大氣環(huán)境。

7A85鋁合金的原始金相顯微組織如圖2所示。由圖2可知，7A85鋁合金原始表面光滑、無腐蝕，金相組織為α-Al強化相，原始α晶粒粗大，在原始晶界分布著細小的再結(jié)晶晶粒。

圖2 7A85鋁合金的原始金相顯微組織Fig.2 Original metallographic microstructure of 7A85 aluminum alloy

7A85鋁合金在濕熱海洋、干熱沙漠兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的金相顯微形貌如圖3所示，其最大腐蝕深度如圖4所示。由圖3得知，7A85鋁合金在兩種典型大氣環(huán)境中的腐蝕特征基本一致，均為點蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕。濕熱海洋大氣環(huán)境下7A85鋁合金的腐蝕程度遠大于干熱沙漠大氣環(huán)境。由圖4得知，7A85鋁合金在濕熱海洋大氣環(huán)境中，隨著暴露時間的延長，沿晶網(wǎng)狀裂紋向基體內(nèi)部不斷延伸，腐蝕深度逐漸增大。暴露 0.5 a，最大腐蝕深度為192 μm；暴露1 a，最大腐蝕深度為231 μm；暴露3 a，最大腐蝕深度為254 μm。7A85鋁合金在干熱沙漠大氣環(huán)境中暴露0.5 a，未檢出腐蝕；暴露1 a，最大腐蝕深度為95 μm；暴露3 a，最大腐蝕深度為90 μm?？梢钥闯?，隨著暴露時間的進一步延長，干熱沙漠大氣環(huán)境下7A85鋁合金的最大腐蝕深度并沒有明顯的增加。該結(jié)果印證了宏觀腐蝕特征結(jié)果，表明鋁合金腐蝕的發(fā)生與擴展需要較高的相對濕度和海鹽離子。

7A85鋁合金暴露于兩種典型大氣環(huán)境的腐蝕機制如下所述[15-18]。

第一階段，大氣相對濕度對鋁合金腐蝕影響。海洋大氣環(huán)境和干熱沙漠環(huán)境下7A85鋁合金表面結(jié)露形成電解液膜，發(fā)生式（1）—（3）的電化學(xué)反應(yīng)[19]：

圖3 7A85鋁合金在兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的金相顯微形貌Fig.3 Metallographic micrograph of 7A85 aluminum alloy exposed for 3 year in two typical atmospheric environments： a) Wanning； b) Dunhuang

圖4 7A85鋁合金在兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的最大腐蝕深度變化Fig.4 Histogram of maximum corrosion depth of 7A85 aluminum alloy exposed for 3 year in two typical atmospheric environments

上述反應(yīng)表明，由于海洋大氣環(huán)境的相對濕度遠大于干熱沙漠大氣環(huán)境，7A85鋁合金暴露于海洋大氣環(huán)境中上述電化學(xué)反應(yīng)越容易發(fā)生，鋁合金腐蝕的速率越快。

第二階段，空氣中Cl-的競爭吸附[20]?？諝庵蠧l-通過競爭吸附，與第一階段生成的Al(OH)3發(fā)生反應(yīng)，Cl-取代OH-，生產(chǎn)可溶性的AlCl3，反應(yīng)方程式為：

由于海洋大氣環(huán)境Cl-含量高，上述競爭吸附反應(yīng)較容易發(fā)生，進一步加速了7A85鋁合金的腐蝕速率。

2.2 腐蝕規(guī)律分析

7A85鋁合金在濕熱海洋、干熱沙漠兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的拉伸性能變化曲線如圖5所示。

由圖5 a可知，在濕熱海洋大氣環(huán)境中，7A85鋁合金的抗拉強度隨暴露時間的延長逐漸降低。暴露0.5 a，抗拉強度下降8%；暴露1 a，抗拉強度下降13%；暴露 2 a，抗拉強度下降14%；暴露3 a，抗拉強度下降18%。7A85鋁合金在干熱沙漠大氣環(huán)境中暴露0.5 a，抗拉強度未發(fā)生下降；暴露1 a，抗拉強度下降5%；暴露2～3 a，抗拉強度下降值與暴露1 a一致，均為5%。可以看出，隨著暴露時間進一步延長，干熱沙漠大氣環(huán)境下7A85鋁合金的抗拉強度未發(fā)生進一步下降，該結(jié)果與前述結(jié)果一致。由圖5b可知，7A85鋁合金在濕熱海洋大氣環(huán)境暴露初期，斷后伸長率急劇下降。暴露0.5 a，斷后伸長率下降61%；暴露1～2 a，斷后伸長率均下降 67%，暴露 3 a，斷后伸長率下降 72%。7A85鋁合金在干熱沙漠大氣環(huán)境中暴露 0.5 a，斷后伸長率下降17%；暴露1～3 a，斷后伸長率下降均為22%。

圖5 7A85鋁合金在兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的拉伸性能變化曲線Fig.5 Changing curve of tensile property of 7A85 aluminum alloy exposed for 3 year in two typical atmospheric environments： a) tensile strength； b) elongation after fracture

3 結(jié)論

1）7A85鋁合金暴露于相對濕度較低的干熱沙漠環(huán)境，表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜會阻止腐蝕的進一步發(fā)生；在濕熱海洋大氣環(huán)境中，隨暴露時間的延長，7A85鋁合金的腐蝕逐漸加深。

2）由于干熱沙漠大氣環(huán)境的相對濕度（41%）遠小于鋁合金的臨界相對濕度（65%），鋁合金表面生成具有保護作用的腐蝕產(chǎn)物膜，阻止了腐蝕的進一步發(fā)生。

3）7A85鋁合金在濕熱海洋、干熱沙漠兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的最大腐蝕深度分別為254 μm和 90 μm。

4）7A85鋁合金在濕熱海洋、干熱沙漠兩種典型大氣環(huán)境中暴露3 a的抗拉強度分別下降18%和5%，斷后伸長率分別下降72%和22%。