劉治國(guó)，顏光耀，呂 航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)， 青島 266041）

7B04鋁合金服役環(huán)境下點(diǎn)蝕表面損傷特征研究

劉治國(guó)，顏光耀，呂 航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)， 青島 266041）

飛機(jī)鋁合金材料易受服役環(huán)境作用產(chǎn)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕表面損傷特征會(huì)影響其疲勞性能。為獲取鋁合金材料點(diǎn)蝕表面損傷特征，本文以7B04鋁合金材料為研究對(duì)象，開展其于模擬機(jī)場(chǎng)環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜下的點(diǎn)蝕加速試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)7B04鋁合金點(diǎn)蝕過(guò)程中表面損傷特征進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，7B04鋁合金點(diǎn)蝕蝕坑表面形貌隨點(diǎn)蝕周期延長(zhǎng)逐漸趨于橢圓或圓形規(guī)則形貌，而后轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)律，此結(jié)論可為飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命研究奠定理論基礎(chǔ)。

鋁合金；點(diǎn)蝕；形貌特征；尺寸參數(shù)

引言

飛機(jī)在服役過(guò)程中受到環(huán)境和載荷的共同作用，其中環(huán)境作用易使飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)萌生蝕坑與擴(kuò)展[1]，鋁合金的點(diǎn)蝕損傷在載荷作用下易轉(zhuǎn)化為裂紋并擴(kuò)展，因而飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)服役環(huán)境下的疲勞壽命分析核心是腐蝕疲勞研究問(wèn)題[2-3]，此問(wèn)題對(duì)沿海機(jī)場(chǎng)環(huán)境下服役的老齡飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)尤為突出，諸多學(xué)者對(duì)其開展了廣泛研究。其中，文獻(xiàn)[2-3]研究表明，腐蝕疲勞裂紋的萌生位置、初始尺寸等與結(jié)構(gòu)疲勞壽命直接相關(guān)的參量與點(diǎn)蝕損傷特征（包括蝕坑形貌特征、尺寸參數(shù)、蝕坑間距、蝕坑密度等）關(guān)系密切，有必要對(duì)此問(wèn)題開展深入研究。

目前，像2B06、7B04等新型鋁合金材料在國(guó)產(chǎn)新型飛機(jī)上應(yīng)用日益廣泛，本文選取7B04航空鋁合金為研究對(duì)象，為獲取該材料在服役環(huán)境下的點(diǎn)蝕表面損傷特征，依據(jù)模擬機(jī)場(chǎng)環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，開展該型材料試件加速點(diǎn)蝕試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，借助微觀檢測(cè)手段和依據(jù)點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理，對(duì)該材料點(diǎn)蝕表面損傷特征，主要對(duì)點(diǎn)蝕坑形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和建模分析，最終獲得7B04鋁合金點(diǎn)蝕過(guò)程中損傷特征的演變規(guī)律，為最終開展飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕壽命分析奠定理論基礎(chǔ)。

表1 7B04鋁合金材料成分表（%）

1 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

7B04試件的成分與外形尺寸分別如表1和圖1所示。試驗(yàn)前用無(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。

將7B04鋁合金材料放置在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行自然腐蝕，然后開展其腐點(diǎn)蝕表面損傷特征相關(guān)研究，這種研究方法周期較長(zhǎng)，為縮短研究周期并獲得合理結(jié)果，應(yīng)采用文獻(xiàn)[4，5]中闡述的加速方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。為保證7B04試件點(diǎn)蝕表面損傷特征與服役環(huán)境中點(diǎn)蝕表面損傷特征相近且點(diǎn)蝕歷程相似，本文采用與文獻(xiàn)[6]中類似的環(huán)境譜進(jìn)行7B04試件點(diǎn)蝕試驗(yàn)，即浸潤(rùn)+烘干的組合開展，具體作用強(qiáng)度與作用頻率見圖2所示，其中，溶液為H2SO4與3.5 %（wt.%）NaCl混合，pH=（4.0±0.2），具體的干濕交變?yōu)榻?.6 min，烘烤18.6 min，335次干濕交變累積試驗(yàn)時(shí)間為118.4 h，相當(dāng)于一個(gè)當(dāng)量腐蝕年限。采用ZJF-75G周期浸潤(rùn)試驗(yàn)箱開展加速點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)參照HB5455-90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)程控制，其中試件以相同間隔放置于托架上，保證其在試驗(yàn)過(guò)程中互不干擾，如圖3所示。

加速腐蝕共進(jìn)行了400 h，每隔一段時(shí)間后取出三組試件，采用KH-7700科視達(dá)三維顯微鏡進(jìn)行典型點(diǎn)蝕部位觀察測(cè)量。部分腐蝕周期下試件表面腐蝕宏觀形貌如圖4所示，從中可見，在宏觀上隨腐蝕周期延續(xù)，點(diǎn)蝕部位越來(lái)越多，點(diǎn)蝕密度增大。

圖1 試樣尺寸

圖2 點(diǎn)蝕加速試驗(yàn)環(huán)境譜

圖3 7B04試驗(yàn)件在試驗(yàn)箱中浸泡圖

2 點(diǎn)蝕電化學(xué)機(jī)理

點(diǎn)蝕形貌特征分析的基礎(chǔ)是點(diǎn)蝕發(fā)生的電化學(xué)本質(zhì)，從表1中可知，7B04鋁合金材除基體鋁元素外，還含有部分其他元素。文獻(xiàn)[7～8]統(tǒng)計(jì)，航空鋁合金材料每平方毫米表面上有大約2 000個(gè)組成粒子，其中Cu、Fe等元素粒子，屬?gòu)?qiáng)陰性粒子，在腐蝕環(huán)境下易形成陰極，與鋁基體之間形成電位差而使合金材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)發(fā)生，即點(diǎn)蝕萌生，具體反應(yīng)可表示為：

圖4 典型7B04試件表面腐蝕形貌

由此可見，點(diǎn)蝕萌生使鋁合金逐漸溶解，并隨時(shí)間延續(xù)而逐漸擴(kuò)展[7～8]。7B04試件點(diǎn)蝕萌生過(guò)程由圖5掃描電鏡圖像所示。

圖5 7B04試件點(diǎn)蝕萌生掃描電鏡微觀圖片

3 點(diǎn)蝕形貌特征演變

從圖5中可見，鋁合金點(diǎn)蝕大都從粒子處萌生并擴(kuò)展，由文獻(xiàn)[9～10]可知，鋁合金材料點(diǎn)蝕本質(zhì)上是隨機(jī)過(guò)程，因而點(diǎn)蝕蝕坑試件表面表現(xiàn)為隨機(jī)的幾何形貌，為描述該形貌特征，采用幾何參數(shù)將該形貌特征數(shù)字化，具體定義η參數(shù)表征點(diǎn)蝕蝕坑表面形貌，具體定義如式（3）所示，即蝕坑表面積與圍繞該蝕坑最小矩形面積之比，物理意義見圖6中所示。

圖6 7B04試件典型點(diǎn)蝕表面腐蝕形貌

其中，η表示點(diǎn)蝕表面形貌特征參數(shù)，S真實(shí)表示蝕坑表面積，單位為 μm2；S矩形表示圍繞蝕坑最小矩形面積，單位為 μm2。根據(jù)定義可知，若蝕坑表面為規(guī)則的幾何形狀，則特征參數(shù)η即可確定明確值。如蝕坑表面形貌為三角形，則η≈0.5；若蝕坑表面為矩形，則若蝕坑表面為圓形或橢圓形

采用KH-7700科視達(dá)三維顯微鏡對(duì)一定點(diǎn)蝕周期下三個(gè)試件表面典型蝕坑（每個(gè)試件取20個(gè)典型點(diǎn)蝕部位，共計(jì)60個(gè)數(shù)據(jù)源）進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，得到點(diǎn)蝕表面形貌特征參數(shù)η隨點(diǎn)蝕周期的變化規(guī)律，如圖7所示。

從圖7中可見，隨點(diǎn)蝕時(shí)間延續(xù)，點(diǎn)蝕表面形貌特征參數(shù)η逐漸趨于0.8左右，說(shuō)明在點(diǎn)蝕擴(kuò)展過(guò)程中，其表面形貌特征呈圓形或橢圓形。但隨著腐蝕周期延長(zhǎng)，特征參數(shù)η則出現(xiàn)無(wú)定式變化規(guī)律，這可以從鋁合金電化學(xué)機(jī)制本身進(jìn)行說(shuō)明，這是因?yàn)殡S腐蝕周期延長(zhǎng)，7B04試件表面點(diǎn)蝕密度增大，點(diǎn)蝕蝕坑增多，如圖4中（b）和（c）所示，蝕坑之間會(huì)出現(xiàn)合并的現(xiàn)象，如圖8所示。因此造成特征參數(shù)η統(tǒng)計(jì)規(guī)律不明顯，并且由文獻(xiàn)[11]可知，隨著腐蝕周期延長(zhǎng)，鋁合金點(diǎn)蝕逐漸轉(zhuǎn)化為剝蝕行為，此方面不在本文討論范圍內(nèi)。

圖7 7B04試件點(diǎn)蝕形貌特征參數(shù)演變規(guī)律

圖8 7B04試件腐蝕后期掃描電鏡圖像

4 結(jié)論

本文依據(jù)加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜開展了7B04鋁合金試件點(diǎn)蝕試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和電化學(xué)點(diǎn)蝕機(jī)理，對(duì)7B04鋁合金點(diǎn)蝕表面損傷特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁合金點(diǎn)蝕過(guò)程中，點(diǎn)蝕表面形狀逐漸趨于圓形或橢圓形，但隨著試驗(yàn)周期延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕表面損傷特征逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴幻黠@，這是由于點(diǎn)蝕逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯兾g階段。上述研究結(jié)論可為飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕壽命分析奠定一定理論分析基礎(chǔ)。

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Research on Pitting Corrosion Damage Characteristics of 7B04 Aluminum Alloys in Service Environment

LIU Zhi-guo，YAN Guang-yao，LV Hang
(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch，Qingdao 266041)

Pitting corrosion is a typical damage of aircraft aluminum alloys structure which is attacked by the service environment, and the pitting corrosion damage eventually affects the fatigue property of aluminum alloys structure. In order to obtain the pitting corrosion surface damage characteristics,the paper carried out 7B04 specimen pitting corrosion test according to the accelerated corrosion test spectrum which simulated the aircraft service environment, and based on test results,7B04 aluminum alloy pitting corrosion surface damage characteristics during the corrosion process was analysed,it was found that the corrosion pits surface geometry inclines to be circle or ellipse in the former corrosion period and irregular in the later corrosion period. The analysis result could set research basis for the corrosion fatigue life analysis of the aircraft aluminum alloy structure.

aluminum alloys ; pitting corrosion ; topography characteristics ; size parameters

TG174

A

1004-7204（2017）05-0046-05

劉治國(guó)：男，1976年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命與可靠性分析。