劉治國(guó)，韓 玉，朱武峰，呂 航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)， 青島 266041）

基于點(diǎn)蝕試驗(yàn)的7B04鋁合金材料點(diǎn)蝕密度研究

劉治國(guó)，韓 玉，朱武峰，呂 航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)， 青島 266041）

點(diǎn)蝕是航空鋁合金材料在服役環(huán)境下常見(jiàn)的損傷形式，點(diǎn)蝕的產(chǎn)生極其密度的變化通常會(huì)影響鋁合金疲勞性能，為此，本文通過(guò)開(kāi)展鋁合金點(diǎn)蝕試驗(yàn)的方式，對(duì)其點(diǎn)蝕過(guò)程中的蝕坑密度變化規(guī)律進(jìn)行建模研究，研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金點(diǎn)蝕過(guò)程中蝕坑密度在腐蝕前期隨腐蝕周期增加，腐蝕后期，蝕坑密度趨于飽和而穩(wěn)定；滴入溶液方式較浸入溶液方式的點(diǎn)蝕發(fā)展較快。

航空鋁合金；點(diǎn)蝕；蝕坑密度；建模

飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下易發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕在疲勞載荷作用下易萌生疲勞裂紋，因而飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)服役條件下的典型損傷累積過(guò)程為腐蝕疲勞過(guò)程，通過(guò)飛行事故時(shí)事后分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，疲勞裂紋多起源于點(diǎn)蝕蝕坑，文獻(xiàn)[1～4]研究就將腐蝕疲勞分為點(diǎn)蝕萌生、蝕坑擴(kuò)展、蝕坑到短裂紋轉(zhuǎn)化、短裂紋擴(kuò)展、短裂紋到長(zhǎng)裂紋轉(zhuǎn)化、長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展至斷裂7個(gè)階段，從上述分階段中可以看出，點(diǎn)蝕萌生與擴(kuò)展是腐蝕疲勞研究領(lǐng)域的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，因而對(duì)點(diǎn)蝕行為分析是飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命研究中的基礎(chǔ)性與核心性內(nèi)容。

鋁合金點(diǎn)蝕行為可由多個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，曾有文獻(xiàn)以點(diǎn)蝕蝕坑深度為表征鋁合金點(diǎn)蝕形貌的特征參量[5，6]，然而，隨著對(duì)鋁合金點(diǎn)蝕行為研究的深入，目前認(rèn)為鋁合金在點(diǎn)蝕擴(kuò)展過(guò)程中按體積變化規(guī)律進(jìn)行擴(kuò)展[7，8]，即除了蝕坑深度發(fā)展之外，其表面腐蝕損傷尺寸也發(fā)生變化，文獻(xiàn)[9，10]用腐蝕等級(jí)對(duì)點(diǎn)蝕表面腐蝕損失進(jìn)行表征，而腐蝕等級(jí)與點(diǎn)蝕蝕坑密度密切相關(guān)，因此本文開(kāi)展飛機(jī)鋁合金點(diǎn)蝕密度相關(guān)研究。為此，本文以國(guó)產(chǎn)7B04鋁合金為研究對(duì)象，開(kāi)展該材料試件兩種腐蝕環(huán)境下的點(diǎn)蝕試驗(yàn)，基于鋁合金點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理和試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建其點(diǎn)蝕密度隨腐蝕周期的變化規(guī)律，以此為飛機(jī)該型材料結(jié)構(gòu)的后續(xù)腐蝕疲勞壽命及可靠性等相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

鋁合金材料除了基體鋁元素外，還含有大量其他粒子元素，7B04航空鋁合金材料其結(jié)構(gòu)成分詳見(jiàn)表1中所示。

試件尺寸如圖1所示，試驗(yàn)前，根據(jù)GJB 594-88-《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》，采用鉻酸陽(yáng)極化（厚度約3 μ）對(duì)其進(jìn)行表面處理，然后用無(wú)水乙醇清潔試件表面，完全去除表面油污，并用蒸餾水清洗晾干。

試驗(yàn)溶液為3.5 %氯化鈉溶液，點(diǎn)蝕發(fā)生方式分為兩種，分別為試件浸入溶液方式和溶液周期性滴入方式。其中，滴入方式的溶液滴入速率分為兩種，分別為10 ml/min和150 ml/min。浸入方式的試驗(yàn)圖片如圖2所示。

試驗(yàn)過(guò)程參照HB 5455-90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每隔一段腐蝕周期取出三組試件，用QUESTAR三維光學(xué)顯微鏡對(duì)試件表面點(diǎn)蝕形貌進(jìn)行拍攝，放大倍數(shù)為20倍，部分點(diǎn)蝕周期下的試件表面點(diǎn)蝕形貌如圖3所示。

2 點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[11，12]，點(diǎn)蝕行為過(guò)程包括兩個(gè)主要部分，分別為萌生和擴(kuò)展，這兩個(gè)過(guò)程在本質(zhì)上為電化學(xué)腐蝕過(guò)程。

2．1 點(diǎn)蝕萌生

鋁合金組成粒子，尤其是Cu、Fe等元素粒子，與鋁基體之間存在電位差，因而在腐蝕環(huán)境下，在微觀層面上部分組成元素粒子作為陰極，周圍基體作為陽(yáng)極，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)發(fā)生，點(diǎn)蝕萌生，具體反應(yīng)可表示為：

2．2 點(diǎn)蝕擴(kuò)展

點(diǎn)蝕擴(kuò)展在物理意義上包括兩方面含義：一是單個(gè)點(diǎn)蝕蝕坑隨時(shí)間延續(xù)而逐漸擴(kuò)展；二是點(diǎn)蝕蝕坑隨時(shí)間延續(xù)而增多，即蝕坑密度增大。本文探討的范圍是第二個(gè)含義，文獻(xiàn)[7]統(tǒng)計(jì)，航空鋁合金材料每平方米表面上有大約2 000個(gè)組成粒子，因此，隨著電化學(xué)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，越來(lái)越多的粒子與鋁合金基體之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕，萌生點(diǎn)蝕，即點(diǎn)蝕蝕坑越來(lái)越多，正如圖3中所示。

表1 7B04鋁合金材料成分表（%）

圖1 試樣尺寸（mm）

圖2 7B04試驗(yàn)件在試驗(yàn)箱中浸泡圖

圖3 7B04試件表面點(diǎn)蝕形貌

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)兩種類型的試驗(yàn)試件選取同樣位置、同樣面積大小，計(jì)算點(diǎn)蝕密度，其中點(diǎn)蝕蝕坑的個(gè)數(shù)計(jì)算為保證計(jì)算精度，以單個(gè)蝕坑表面最大軸長(zhǎng)為5μm為標(biāo)準(zhǔn)，大于該值，則算為典型點(diǎn)蝕蝕坑；小于該值，則忽略不計(jì)，并對(duì)一段點(diǎn)蝕周期下取出的三組試件點(diǎn)蝕蝕坑個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到兩種類型試驗(yàn)條件下7B04試件的點(diǎn)蝕密度變化規(guī)律如圖4所示。

從圖4可見(jiàn)，兩種點(diǎn)蝕方式下，在點(diǎn)蝕萌生初期，點(diǎn)蝕密度增速較快，而腐蝕周期到達(dá)一定周期后，點(diǎn)蝕密度趨于穩(wěn)定?；趫D4中點(diǎn)蝕密度變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行建模，仿真模型為：

其中，d表示點(diǎn)蝕密度，nmax表示點(diǎn)蝕密度飽和值，t表示點(diǎn)蝕時(shí)間，k表示點(diǎn)蝕發(fā)生率。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到兩種點(diǎn)蝕類型下式（3）中各個(gè)參數(shù)的擬合值，如表2所示。

從圖4和表2中可見(jiàn)，對(duì)于點(diǎn)蝕密度飽和值和點(diǎn)蝕發(fā)生率兩個(gè)參數(shù)，滴入方式的擬合值要大于浸入方式的擬合值；而對(duì)于滴入方式而言，點(diǎn)蝕密度飽和值和點(diǎn)蝕發(fā)生率兩個(gè)參數(shù)隨溶液滴入速率增加而減小。

兩種試驗(yàn)方式下，點(diǎn)蝕密度之所以發(fā)生上述的變化規(guī)律，可從點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理進(jìn)行闡釋與分析。從式（2）中可見(jiàn)，點(diǎn)蝕行為過(guò)程是以氧氣的消耗為前提，因而若供氧量不同，就會(huì)造成不同點(diǎn)蝕方式下的點(diǎn)蝕密度不同。

具體而言，在浸入溶液方式下，由于溶解于溶液中的氧氣有限，因此其點(diǎn)蝕行為受到壓制，所以其點(diǎn)蝕飽和密度值小于滴入方式下的點(diǎn)蝕密度值；同樣道理，對(duì)于溶液滴入方式而言，由于試件暴露在大氣環(huán)境中，因而溶液滴入的速率越小，則點(diǎn)蝕過(guò)程中的氧氣提供量越充足，則其點(diǎn)蝕密度飽和值越大，點(diǎn)蝕發(fā)生率也越大。

圖4 7B04試件兩種試驗(yàn)環(huán)境下點(diǎn)蝕密度變化規(guī)律

表2 點(diǎn)蝕密度變化模型參數(shù)擬合值

對(duì)于滴入方式而言，除供氧量因素之外，還有溶液揮發(fā)因素對(duì)點(diǎn)蝕行為的影響，即若溶液滴入的速率減小，則溶液揮發(fā)的可能性就增大，溶液揮發(fā)，則使殘留在試件上的溶液成分濃縮，由電化學(xué)腐蝕機(jī)理可知，溶液濃度增加，會(huì)增大腐蝕電流密度，繼而增加點(diǎn)蝕速率，使點(diǎn)蝕發(fā)生率和點(diǎn)蝕密度飽和值增加。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展7B04鋁合金浸入和滴入3.5 %氯化鈉溶液兩種方式的點(diǎn)蝕試驗(yàn)，并依據(jù)鋁合金點(diǎn)蝕電化學(xué)機(jī)理和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其點(diǎn)蝕密度變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：

1）兩種點(diǎn)蝕方式下，鋁合金點(diǎn)蝕密度在點(diǎn)蝕初期，點(diǎn)蝕密度增加較快，之后點(diǎn)蝕密度趨于穩(wěn)定值。其變化規(guī)律可以用模型進(jìn)行擬合。

2）對(duì)于點(diǎn)蝕密度飽和值和點(diǎn)蝕發(fā)生率兩個(gè)模型參數(shù)而言，滴入溶液方式點(diǎn)蝕的大于浸入溶液方式點(diǎn)蝕的。

3）對(duì)于滴入溶液方式點(diǎn)蝕而言，其點(diǎn)蝕密度飽和值和點(diǎn)蝕發(fā)生率兩個(gè)參數(shù)隨滴入溶液速率減小而增加。

4）7B04鋁合金在兩種點(diǎn)蝕方式下點(diǎn)蝕密度的上述變化規(guī)律，可以由其電化學(xué)腐蝕機(jī)理進(jìn)行解釋。

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Research of 7B04 Aluminum Alloys Pitting Corrosion Density Based on Pitting Corrosion Test

LIU Zhi-guo, HAN Yu, ZHU Wu-feng, LV Hang
(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch，Qingdao 266041)

Pitting corrosion is a typical damage of aircraft aluminum alloys structure under the service environment，and the corrosion pit density can affect the fatigue property. So, the pitting corrosion test of aero aluminum alloy was carried out to obtain the corrosion pit density variation law during the pitting corrosion test process.The research found that the corrosion pit density increased with the corrosion period during the earlier corrosion stage, and tended to stable at the later corrosion period, and the pitting corrosion growth rate of the specimen under the dripping solution is faster than soaking solution.

aero aluminum alloys；pitting corrosion；corrosion pit density；modeling

TG174

A

1004-7204(2017)04-0008-04

劉治國(guó)，男，1976年11月，講師，主要研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命及可靠性分析。