典型超強(qiáng)耐熱鎂合金部件服役環(huán)境壽命仿真分析

黃有旺，孫曉玲，楊文錦，陳 慧

(1. 北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；3. 四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司，四川成都 610100；4.上海格麟倍科技發(fā)展有限公司，上海 201100)

0 前 言

鎂合金是所有金屬結(jié)構(gòu)材料中質(zhì)量最輕的金屬:是Fe的1/4,Al的2/3,與塑料相近。但鎂合金耐蝕性差的特性嚴(yán)重阻礙了鎂合金的工程化應(yīng)用。隨著對(duì)鎂合金材料研究的深入,其耐蝕性能也得到了很大的提升,加之航天領(lǐng)域腐蝕環(huán)境的特性,使鎂合金的使用成為可能[1-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在腐蝕與防護(hù)科學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕分析和防護(hù)不再只是憑借試驗(yàn)技術(shù),還可以通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型,預(yù)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的初始化和生長(zhǎng)行為,這對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)、壽命評(píng)估以及防腐蝕設(shè)計(jì)都是極其重要的[5]。腐蝕仿真技術(shù)以服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)作為輸入邊界,通過(guò)設(shè)定不同的環(huán)境和材料數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)鎂合金結(jié)構(gòu)件在不同服役環(huán)境下腐蝕狀態(tài)的快速評(píng)估[6]。

為解決物理腐蝕試驗(yàn)存在的腐蝕壽命評(píng)價(jià)效率低、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等難題,本工作采用有限元腐蝕仿真軟件Corrosionmaster對(duì)2種鎂合金典型件在不同服役環(huán)境下的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行快速模擬分析,評(píng)價(jià)鎂合金材料在不同結(jié)構(gòu)件和服役環(huán)境下的耐蝕性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用航天領(lǐng)域中2種常用典型部件為研究對(duì)象,典型部件中各部位的材料分布見(jiàn)表1,三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2種典型部件三維結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Two typical component 3D structural model

表1 鎂合金典型件各部件的材質(zhì)與表面處理狀態(tài)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)際服役需求,使用Corrosionmaster仿真分析鎂合金結(jié)構(gòu)件服役17.5 a后各部件的腐蝕狀態(tài)。鎂合金結(jié)構(gòu)件分別面臨2種服役環(huán)境,服役環(huán)境信息如下:

(1)服役環(huán)境1 0.2 mg/L NaCl 溶液,正常情況下溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%,超標(biāo)情況下溫度為30 ℃、相對(duì)濕度80%,超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)為6 h。

(2)服役環(huán)境2 2.0 mg/L NaCl 溶液,正常情況下溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%,超標(biāo)情況下溫度為30 ℃、相對(duì)濕度80%,超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)為6 h。

根據(jù)服役環(huán)境中各因子隨時(shí)間的變化規(guī)律,建立腐蝕仿真環(huán)境譜,如表2所示,以表2建立的腐蝕仿真服役環(huán)境譜為基礎(chǔ),重復(fù)設(shè)置17.5 a。

表2 腐蝕仿真服役環(huán)境譜(1 a)

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

(1)極化數(shù)據(jù)測(cè)試 采用電化學(xué)工作站進(jìn)行三電極體系測(cè)試,分別對(duì)HTM1和TC4進(jìn)行極化數(shù)據(jù)測(cè)試。參比電極為Ag/AgCl,對(duì)電極為Pt。掃描范圍:-300～300 mV(vsEOCP),掃描速率設(shè)為0.05 mV/s,需要說(shuō)明的是由于服役環(huán)境的特殊性,本工作采用的電解質(zhì)為0.2和2.0 mg/L的NaCl溶液[12],所得HTM1和TC4在2種環(huán)境下的Tafel曲線如圖2所示。

圖2 典型環(huán)境下HTM1與TC4的Tafel曲線Fig. 2 Tafel curves of HTM1 and TC4 in typical environments

(2)阻抗數(shù)據(jù)測(cè)試 根據(jù)BS EN ISO 16773 “涂料和清漆 高阻抗涂層樣品的電化學(xué)阻抗頻譜(EIS)”的相關(guān)規(guī)定對(duì)涉及的涂層進(jìn)行EIS測(cè)試。按照常用阻抗譜測(cè)試電解池,測(cè)試面積為4 cm2,以3.5%的NaCl溶液為電解質(zhì),采用三電極系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,輔助為Pt電極、參比電極為Ag/AgCl。施加正弦擾動(dòng)幅值為10 mV,測(cè)試頻率范圍為1.0×(102～104)Hz,對(duì)數(shù)掃頻率,每倍頻程8步,獲取涂層的阻抗數(shù)據(jù)[13],所得鎂合金電泳漆阻抗數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 鎂合金電泳漆阻抗測(cè)試結(jié)果Fig. 3 Impedance test results of magnesium alloy electrophoretic paint

獲得電泳漆的阻抗數(shù)據(jù)后,通過(guò)現(xiàn)有的、不同時(shí)間段下的性能退化數(shù)據(jù)擬合涂層性能的衰減曲線,模擬電泳漆在17.5 a內(nèi)的保護(hù)性能衰減情況。

2 仿真結(jié)果與分析

將第1章采集到的腐蝕仿真三維模型、仿真環(huán)境譜、極化數(shù)據(jù)與阻抗數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)、環(huán)境和材料邊界輸入,分別仿真分析高強(qiáng)耐熱鎂合金典型結(jié)構(gòu)件在不同結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境條件下使用5.0、10.0和17.5 a后的腐蝕狀態(tài)。

2.1 服役環(huán)境1仿真結(jié)果

2種鎂合金典型結(jié)構(gòu)件在服役環(huán)境1中分別服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蝕深度如表3所示。

表3 典型鎂合金結(jié)構(gòu)件在服役環(huán)境1中的腐蝕狀態(tài)

由表3可知,隨著服役年限的延長(zhǎng),SY-01表面涂層的防護(hù)性能下降,導(dǎo)致TC4對(duì)和HTM1的電偶效應(yīng)逐漸增強(qiáng),造成HTM1的腐蝕程度逐年加劇。SY-02與SY-03的受保護(hù)效果逐漸增加,腐蝕速率有一定程度下降,這是因?yàn)镠TM1受表面防護(hù)體系的保護(hù),對(duì)TC4保護(hù)效果有限。由于SY-02比SY-03的表面積更大,在服役過(guò)程中與空氣中氧的接觸面更大,導(dǎo)致SY-02對(duì)SY-01的電偶效用也更顯著[14]。2種典型鎂合金結(jié)構(gòu)件服役17.5 a后的腐蝕深度如圖4所示,腐蝕電流密度如圖5所示。

圖4 服役環(huán)境1下17.5 a后各部件腐蝕深度Fig. 4 Corrosion depth of various components after 17.5 a in service environment 1

圖5 服役環(huán)境1下17.5 a后各部件腐蝕電流密度Fig. 5 Corrosion current density of various components after 17.5 a in service environment 1

2.2 服役環(huán)境2仿真結(jié)果

2種鎂合金典型結(jié)構(gòu)件在服役環(huán)境2中分別服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蝕深度如表4所示。

表4 典型鎂合金結(jié)構(gòu)件在服役環(huán)境2中的腐蝕狀態(tài)

由表4可知,隨著服役年限的延長(zhǎng),2種鎂合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕趨勢(shì)與服役環(huán)境1相同,但腐蝕程度遠(yuǎn)大于服役環(huán)境1中的仿真結(jié)果,這是因?yàn)榉郗h(huán)境2中的鹽霧濃度更大,導(dǎo)電性更大,電化學(xué)反應(yīng)也更快,2種典型鎂合金結(jié)構(gòu)件服役17.5 a后的腐蝕深度如圖6所示,腐蝕電流密度如圖7所示。

圖6 服役環(huán)境2下17.5 a后各部件腐蝕深度Fig. 6 Corrosion depth of each component after 17.5 a in service environment 2

圖7 服役環(huán)境2下17.5 a后各部件腐蝕電流密度Fig. 7 Corrosion current density of various components after 17.5 a in service environment 2

此外,2種典型鎂合金結(jié)構(gòu)件中SY-02的金屬損失小于SY-03,這可能是在服役環(huán)境2中,各部件的腐蝕程度加劇,而HTM1受表面防護(hù)體系的保護(hù),對(duì)TC4保護(hù)效果有限,導(dǎo)致了各鈦合金螺栓的金屬損失發(fā)生了變化。

3 結(jié) 論

通過(guò)腐蝕仿真軟件Corrosionmaster對(duì)高強(qiáng)耐熱鎂合金在使用環(huán)境1和2下服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行模擬分析可知:

(1)在服役環(huán)境1下使用17.5 a后,2種結(jié)構(gòu)件中鎂合金的腐蝕深度小于50 μm;在服役環(huán)境2下使用17.5 a后,2種結(jié)構(gòu)件中鎂合金的腐蝕深度小于100 μm;上述結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)際使用要求,驗(yàn)證了鎂合金-微弧氧化-電泳漆設(shè)計(jì)方案在這2種服役環(huán)境下的可行性;

(2)在服役過(guò)程中隨著電泳漆保護(hù)性能的逐漸衰減,HTM1對(duì)TC4的保護(hù)效果也逐漸增加。由于受表面防護(hù)層的影響,HTM1的保護(hù)效果有限,導(dǎo)致TC4的腐蝕程度隨服役年限的延長(zhǎng)逐漸加劇;

(3)部件Ⅱ中TC4螺栓的腐蝕程度較部件Ⅰ中的低,這是因?yàn)椴考蛑蠺C4螺栓的表面積更大,HTM1對(duì)其保護(hù)效應(yīng)更好、腐蝕程度更輕。