卞貴學(xué)，陳躍良，張勇，王晨光，王安東

（海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

鋁合金因其低密度和高強(qiáng)度而成為現(xiàn)役飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料，雖然在我國(guó)新研飛機(jī)中，鈦合金和復(fù)合材料的比例有所上升，但鋁合金的用量仍高達(dá)60%～65%。鋁合金作為一種鈍性金屬，其表面覆蓋有一層鈍化膜，經(jīng)陽(yáng)極氧化厚度可達(dá)100 μm以上，有著較好的耐腐蝕性能，但海洋大氣環(huán)境富含的Cl－會(huì)破壞鋁合金表面的鈍化膜，導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。對(duì)海洋大氣環(huán)境下服役飛機(jī)局部環(huán)境的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)的位置不同，其腐蝕環(huán)境也不同，腐蝕類型和腐蝕機(jī)理也不同。圖1中，Ⅰ區(qū)位于結(jié)構(gòu)底部，易于積水，溶液NaCl濃度大，導(dǎo)致電導(dǎo)率高，鋁合金發(fā)生全浸于溶液中的電化學(xué)腐蝕。Ⅲ區(qū)位于結(jié)構(gòu)頂部，積水概率低，鋁合金主要發(fā)生大氣腐蝕。Ⅱ區(qū)位于結(jié)構(gòu)中部，有積水的可能性，鋁合金發(fā)生大氣腐蝕或是溶液中的腐蝕。導(dǎo)致鋁合金的腐蝕因素不是單一的，所以鋁合金的腐蝕要考慮多因素的相互作用。

1 鋁合金腐蝕機(jī)理研究現(xiàn)狀

美國(guó)Alcoa公司開(kāi)發(fā)的T77熱處理工藝采用三級(jí)時(shí)效，第一次實(shí)現(xiàn)在不犧牲合金強(qiáng)度的同時(shí)滿足材料抗腐蝕等性能的目標(biāo)，其研發(fā)的 7075-T77合金是第一個(gè)真正意義上的600 MPa級(jí)超高強(qiáng)耐蝕鋁合金[1]。王珊珊等系統(tǒng)研究了時(shí)效處理后的基體、析出相成分及特征微觀組織對(duì) 7055和 7N01鋁合金點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕性能的影響[2]。

第二相與基體之間的成分差異造成了二者之間的電位差，這是引起鋁合金局部腐蝕的主要原因之一，鋁合金中的第二相主要有：S相（Al2CuMg）、θ相（Al2Cu）、β 相（Mg3Al2）、η 相（MgZn2）等，以及工業(yè)生產(chǎn)中夾雜的 Fe元素形成的雜質(zhì)相 FeAl3等[3-9]。要明確第二相在鋁合金局部腐蝕中起的作用，必須要理解第二相與基體的電化學(xué)性能。Kiran按照化學(xué)計(jì)量比鑄造3合金中的α相和β相，開(kāi)展了相關(guān)電化學(xué)性能研究[10]。

目前，研究更多的是在金屬基體表面進(jìn)行原位微電化學(xué)測(cè)量。張平利用掃描開(kāi)爾文探針力顯微鏡測(cè)量了7A52鋁合金及焊縫區(qū)微米級(jí)相AlMnFe，AlFeMnSi和Mg2Si的電位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種相電位均低于基體，較基體優(yōu)先發(fā)生腐蝕[11-13]。瑞士Suter等使用微毛細(xì)管作電解池制作了微電極測(cè)試體系，進(jìn)行了高純鋁和超純鋁點(diǎn)蝕萌生的微電化學(xué)研究[14-15]，這項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，并為其他研究者所使用。Birbilis等對(duì)鋁合金中夾雜相進(jìn)行了微電化學(xué)試驗(yàn)研究和討論，觀察了pH值在第二相溶解過(guò)程中起的作用。Fushimi等用改良的微電極技術(shù)揭示了包含鐵的多晶材料表面所有方面的腐蝕行為[16]。趙貝貝測(cè)量了7B04鋁合金母材及接頭表面各微區(qū)的開(kāi)路電位和極化曲線[17]。李勁風(fēng)歸納總結(jié)了第二相在鋁合金局部腐蝕中的作用機(jī)制，對(duì)S相（Al2CuMg）和Tl相（Al2CuLi）在鋁合金局部腐蝕中的作用提出了不同觀點(diǎn)[18]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者將鋁合金的點(diǎn)蝕分為四個(gè)階段[19-20]：鋁合金表面鈍化膜在第二相等夾雜物處比較薄弱，Cl-優(yōu)先吸附在鈍化膜薄弱或劃傷破損處，這是點(diǎn)蝕的第一步；Cl-使該處鈍化膜的溶解速度遠(yuǎn)高于沒(méi)有Cl-吸附的表面，第二相或其邊緣鋁合金基體以及其他鈍化膜破損處率先發(fā)生腐蝕，即點(diǎn)蝕萌生階段；在點(diǎn)蝕電位以下，點(diǎn)蝕處的鈍化膜可能修復(fù)發(fā)生再鈍化使腐蝕點(diǎn)消失，新的點(diǎn)蝕在其他地方形成或是原點(diǎn)蝕繼續(xù)長(zhǎng)大，這是點(diǎn)蝕的過(guò)渡階段，即亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕；超過(guò)點(diǎn)蝕電位后，Cl-在電場(chǎng)作用下向鈍化膜表面聚集，鈍化膜加速溶解，點(diǎn)蝕穩(wěn)定擴(kuò)展。點(diǎn)蝕坑形成后，蝕坑周圍鋁合金表面上新的點(diǎn)蝕生成和消失，活動(dòng)就停止或大為減弱。若第二相沉淀析出在晶界，因電位差導(dǎo)致第二相或其周圍基體優(yōu)先腐蝕形成閉塞區(qū)域（類似于微小的蝕坑），隨著反應(yīng)的進(jìn)行，閉塞區(qū) pH值降低，促使附近的亞晶界溶解，進(jìn)而形成連續(xù)的晶間腐蝕[21-22]。另外，晶界構(gòu)成物與晶格本體之間的電位差和擊穿電位差也是導(dǎo)致晶間腐蝕的原因之一[23]。鋁合金加工過(guò)程中，拉長(zhǎng)的晶粒和晶界電偶腐蝕形成的腐蝕通路是晶間腐蝕向剝蝕發(fā)展的兩個(gè)條件，腐蝕產(chǎn)物的堆積又為剝蝕的沿晶界擴(kuò)展提供了推動(dòng)力，產(chǎn)生“楔入效應(yīng)”形成張應(yīng)力，使得失去結(jié)合力的晶粒向上撬起，造成未腐蝕的金屬表層的開(kāi)裂和剝落，產(chǎn)生剝蝕。點(diǎn)蝕和晶間腐蝕是鋁合金常見(jiàn)的局部腐蝕類型，二者的萌生均與電位差有關(guān)，都牽扯到微觀層面的電偶腐蝕，鋁合金的電化學(xué)行為實(shí)際上是其表面所有腐蝕微電池電化學(xué)性能的宏觀反映。如果說(shuō)點(diǎn)蝕和晶間腐蝕是鋁合金在某種腐蝕介質(zhì)中的本性，那么飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的電偶腐蝕和縫隙腐蝕等大部分是由于設(shè)計(jì)和防護(hù)措施不當(dāng)造成的。飛機(jī)材料千差萬(wàn)別，且普遍存在異種金屬搭接結(jié)構(gòu)，加上搭接區(qū)域異形結(jié)構(gòu)多，涂層等防護(hù)相對(duì)薄弱，特別容易引發(fā)電偶腐蝕和縫隙腐蝕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，搭接結(jié)構(gòu)分布廣泛的機(jī)翼、機(jī)身長(zhǎng)桁、梁緣條及蒙皮等構(gòu)件成為腐蝕的多發(fā)區(qū)[24]。為此國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研人員從腐蝕環(huán)境、Cl-濃度、表面防護(hù)措施、偶接對(duì)象等方面出發(fā)，研究了鋁合金的電偶腐蝕現(xiàn)象[25-30]，從理論模型、試驗(yàn)方法和緩蝕劑作用等方面研究了鋁合金的縫隙腐蝕[31-34]。

綜上所述，在分析鋁合金腐蝕原因時(shí)，不應(yīng)將其簡(jiǎn)單地認(rèn)定為某一類腐蝕，應(yīng)全面地看問(wèn)題找原因，腐蝕并不是孤立存在的，而是相互聯(lián)系相互作用。

2 鋁合金大氣腐蝕研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，Tomashov提出了大氣腐蝕速率隨金屬表面液膜厚度的變化規(guī)律[35]，并為其他研究者廣泛接受和引用，如圖2所示。根據(jù)Tomashov的理論模型，大氣腐蝕可分為三類：干大氣腐蝕、潮大氣腐蝕和濕大氣腐蝕，分別對(duì)應(yīng)圖2中的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ區(qū)。干大氣腐蝕發(fā)生在大氣濕度特別低的情況下，液膜厚度小于10 nm，金屬表面基本無(wú)連續(xù)的液膜存在，腐蝕速率很低。隨著大氣濕度增加，金屬表面液膜厚度增加至約10 nm～1 μm之間，形成連續(xù)的薄液膜，腐蝕速率急劇增加，此時(shí)發(fā)生潮大氣腐蝕發(fā)生。當(dāng)金屬表面液膜厚度為1 μm～1 mm時(shí)，為濕大氣腐蝕。隨著液膜厚度的增加，O2通過(guò)液膜擴(kuò)散到金屬表面變得困難，為陰極反應(yīng)控制過(guò)程，腐蝕速率相應(yīng)降低。當(dāng)液膜厚度大于1 mm時(shí)，已相當(dāng)于全部浸在溶液中的腐蝕情況，腐蝕速率基本不變。

到了20世紀(jì)70年代，Evans和Stanners等分別將電化學(xué)方法引入到大氣腐蝕研究領(lǐng)域[36-37]。之后，Leygraf等對(duì)薄液膜下的金屬腐蝕動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究[38]，Graedel等提出了大氣腐蝕的GILDES六體系模型，將環(huán)境氣象學(xué)研究方法引入到大氣腐蝕領(lǐng)域[39]。進(jìn)入21世紀(jì)的十幾年間，研究人員對(duì)鋁合金、鎂合金和鋼等金屬大氣腐蝕初期的微液滴和薄液膜電化學(xué)腐蝕進(jìn)行了深入的研究[40-44]。中國(guó)科學(xué)院金屬所馬騰等總結(jié)了引發(fā)鋁合金大氣腐蝕的原因及反應(yīng)機(jī)理，指出了傳統(tǒng)的暴曬試驗(yàn)和室內(nèi)加速試驗(yàn)的不足，提出原位測(cè)量與傳統(tǒng)試驗(yàn)相結(jié)合有利于大氣腐蝕關(guān)鍵過(guò)程和腐蝕機(jī)理的研究[45]。

金屬表面的液膜來(lái)源于降雨、凝露、霧氣以及潮濕空氣吸附等，但對(duì)于高濕的海洋大氣環(huán)境來(lái)說(shuō)，更為普遍的是潮濕空氣在金屬表面吸附成膜。當(dāng)鋁合金表面形成連續(xù)的薄液膜時(shí)，就開(kāi)始了電化學(xué)腐蝕過(guò)程[45-48]。薄液膜下電化學(xué)性能的測(cè)量是研究鋁合金大氣腐蝕的關(guān)鍵，薄液膜厚度均在微米級(jí)別，傳統(tǒng)的三電極體系無(wú)法測(cè)量。有學(xué)者采用掃描開(kāi)爾文探針技術(shù)（Scanning Kelvin Probe, SKP）研究金屬在薄液膜下的腐蝕行為[49-50]，但 SKP技術(shù)尚不成熟，未大面積應(yīng)用，且測(cè)量過(guò)程中探針的振動(dòng)會(huì)使液膜產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)，加速O2在液膜中的擴(kuò)散，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[51]。陳素晶制作的大氣腐蝕電化學(xué)測(cè)量裝置利用鏡頭紙?jiān)阡X合金表面形成一層薄液膜，并以鏡頭紙厚度來(lái)代表液膜厚度[52]。Palani等利用 Nusselt豎壁膜狀凝結(jié)理論制作了薄液膜電化學(xué)測(cè)量裝置，用于測(cè)量鋁合金和復(fù)合材料間電偶電流，液膜厚度由光譜探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量，但該裝置無(wú)法安裝對(duì)電極和參比電極，故無(wú)法測(cè)量薄液膜下的金屬電化學(xué)性能[53]。張勇等利用PVC管及聚酯板等材料制作了薄液膜測(cè)量裝置，將對(duì)電極和工作電極一同固化形成一個(gè)平面，參比電極由瓊脂鹽橋引出，但該裝置控制精度較低，僅能實(shí)現(xiàn)500 μm以上的液膜[54]。Cheng等研究了Al 2024-T3合金在薄液膜下的電化學(xué)行為[66]。施彥彥研究了薄液膜下耐候鋼的陰極極化行為[55]。周和榮等研究了7A04鋁合金在薄液膜下的腐蝕行為[43]。劉在健研究了A3鋼陣列電極在薄液膜下的電流分布[56]，該裝置的缺點(diǎn)在于液膜厚度無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中難以保證液膜厚度均一不變。Chen等認(rèn)為液膜厚度與大氣相對(duì)濕度和鹽沉積量有關(guān)，并給出了室溫下的關(guān)系式[57]，該理論被文獻(xiàn)所引用，但缺乏相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)道。

普遍認(rèn)為薄液膜加速了陰極過(guò)程，O2通過(guò)對(duì)流或擴(kuò)散穿越液膜的速率加快，液膜越薄，O2的傳遞速率越大，O2的還原反應(yīng)越易進(jìn)行。當(dāng)厚度低到一定程度時(shí)，液膜已不能滿足O2或H+的還原，則陰極極化受到阻滯。陽(yáng)極過(guò)程受到阻礙，主要是薄液膜造成了金屬離子的水化和腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散困難。程英亮研究了 LY12鋁合金在不同厚度 NaCl薄液膜中的EIS，發(fā)現(xiàn)在腐蝕初期薄液膜下的腐蝕速率高于本體溶液。隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，100 μm以下薄液膜中的腐蝕速率逐漸變小，170～200 μm液膜下的腐蝕速率遠(yuǎn)高于本體及其他厚度液膜。他認(rèn)為 170～200 μm是腐蝕由陽(yáng)極控制轉(zhuǎn)向陰極控制的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，故有最大的腐蝕速率。超過(guò)200 μm后O2的傳遞減緩，其陰極過(guò)程受到抑制，故腐蝕速率降低[58]。

海洋大氣環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金的電偶腐蝕和縫隙腐蝕現(xiàn)象也很普遍，劉艷杰等[59]研究了薄液膜下鋁合金與不銹鋼電偶腐蝕現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電偶腐蝕不但加速了鋁合金的腐蝕，而且改變了腐蝕過(guò)程。張晉等使用自制微電極和電化學(xué)噪聲技術(shù)研究了鋁合金的縫隙腐蝕行為，認(rèn)為第二相間的微電偶作用是5083和6061鋁合金的縫隙腐蝕行為以及遵循的腐蝕機(jī)制不同的原因[34]。

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境決定了鋁合金的腐蝕條件，鋁合金在結(jié)構(gòu)下表面等易積水的地方發(fā)生溶液中的電化學(xué)腐蝕，在其他大部分區(qū)域則發(fā)生干濕交替下的大氣腐蝕。對(duì)于鋁合金在溶液中的電化學(xué)腐蝕，理論基礎(chǔ)和測(cè)試手段相對(duì)完善，科研人員從溶液Cl－濃度、pH值、溫度及鋁合金表面處理、電偶作用等角度開(kāi)展了大量研究。對(duì)于普遍存在的鋁合金大氣腐蝕，由于腐蝕機(jī)理的復(fù)雜和測(cè)試技術(shù)的限制，目前研究還停留在大氣腐蝕初期行為及機(jī)理上。

3 腐蝕預(yù)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列的模型。陳躍良等基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Net，簡(jiǎn)稱ANN）對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)，并對(duì)三種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn) ANN預(yù)測(cè)精度高于灰色 GM(1,1)模型及Logistic模型[60-61]。譚曉明等認(rèn)為 ANN用于鋁合金的腐蝕預(yù)測(cè)是可行的[62]。王安東等將灰色 GM(1,1)模型和馬爾科夫鏈模型相結(jié)合，建立起能夠預(yù)測(cè)鋁合金蝕坑深度的灰色馬爾科夫模型[63]。王志平等用馬爾可夫狀態(tài)模型預(yù)測(cè)飛機(jī)隔框結(jié)構(gòu)在潛伏期之后的腐蝕狀態(tài)[64]。國(guó)外Altynova和Kelly提出了飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的工程預(yù)測(cè)模型（Corrosion Prediction Model，CPM），在大量的服役環(huán)境、材料性能以及腐蝕損傷歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，能較真實(shí)地反映所監(jiān)控飛機(jī)的環(huán)境和載荷的相關(guān)性，一般適用于大機(jī)群老齡飛機(jī)或有相同經(jīng)歷的同類飛機(jī)[65]，任三元等將其介紹到國(guó)內(nèi)[66]。以上模型均基于原有的飛機(jī)服役環(huán)境、使用強(qiáng)度及腐蝕損傷數(shù)據(jù)，單純地運(yùn)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法開(kāi)展腐蝕預(yù)測(cè)，并沒(méi)有將結(jié)構(gòu)材料腐蝕損傷的機(jī)理考慮進(jìn)去，而這恰恰是腐蝕發(fā)生的根本原因。

目前更為普遍的是基于腐蝕電化學(xué)原理的預(yù)測(cè)模型，溶液電化學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得腐蝕預(yù)測(cè)成為可能。1964年，F(xiàn)leck在其學(xué)位論文中首次運(yùn)用有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM）進(jìn)行了電極體系的電流密度分布數(shù)值評(píng)估[67]，同年Klingert等也通過(guò)高速計(jì)算機(jī)研究了電極體系的電流密度分布[68]。14年后，Alkire等使用有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）獲得了電解池中二次電場(chǎng)分布，并預(yù)測(cè)了電極形狀的變化[69]。隨后，Strommen等將腐蝕預(yù)測(cè)應(yīng)用到海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)領(lǐng)域，逐步實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用[70-71]。受當(dāng)時(shí)計(jì)算水平的限制，有限差分法和有限元法還無(wú)法處理一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)和無(wú)限域問(wèn)題，于是Fu和Chow首次將計(jì)算效率更高的邊界元法（Boundary Element Method，BEM）引入到腐蝕電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，并證明了這種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。Helle等在求解海水中艦船和螺旋槳電偶腐蝕問(wèn)題時(shí)，使用和對(duì)比了兩種數(shù)值方法[72]。Zamani利用邊界元法完成了一艘加拿大軍艦陰極保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬[73]。國(guó)內(nèi)的腐蝕預(yù)測(cè)技術(shù)起步較晚，直到20世紀(jì)90年代初才陸續(xù)有人研究，但發(fā)展很快，目前主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代初，高滿同等用邊界元法研究了腐蝕電場(chǎng)平面問(wèn)題，計(jì)算了電偶腐蝕電場(chǎng)的電位及電流密度分布，發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果相符[74]。解?，幍葟腖aplace方程的積分解出發(fā)，使用邊界元法相繼推導(dǎo)出二維、三維靜電場(chǎng)的計(jì)算公式及程序，并取得滿意效果[75]。

在廣大科研工作者的共同努力下，腐蝕數(shù)值計(jì)算模擬預(yù)測(cè)理論和技術(shù)越來(lái)越完善，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研單位和商業(yè)公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)了一系列腐蝕防護(hù)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)軟件，如邊界元軟件PROCAT和BEASY，有限元軟件Elsyca Corrosion Master和COMSOL等，國(guó)內(nèi)的北京科技大學(xué)等針對(duì)陰極保護(hù)也開(kāi)發(fā)了相關(guān)數(shù)值模擬軟件。腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與數(shù)值模型邊界條件密切相關(guān)，一般將腐蝕電極體系的電位、電流密度關(guān)系作為邊界條件，Strommen等在計(jì)算海洋平臺(tái)陰極保護(hù)時(shí)給出了三種邊界條件，即恒電流密度、線性極化曲線和非線性極化曲線[76]。非線性極化曲線無(wú)疑增大了計(jì)算的難度，但其又最有代表性，且更為普遍，為此Iwata等提出用分段線性方法來(lái)解決此問(wèn)題[77]，此方法為其他研究人員所接受和引用[78]。成熟的溶液電化學(xué)測(cè)量技術(shù)為電極材料腐蝕電化學(xué)性能的準(zhǔn)確獲得提供了條件，腐蝕預(yù)測(cè)技術(shù)也被成功地應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)、地下管線、石油儲(chǔ)罐、艦艇船舶等腐蝕防護(hù)和陰極保護(hù)領(lǐng)域，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了社會(huì)成本，但在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。

薄液膜下金屬電化學(xué)性能的準(zhǔn)確測(cè)量和缺乏對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)服役期間腐蝕環(huán)境的足夠了解，成為制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)測(cè)的瓶頸。近10年來(lái)，隨著薄液膜下電化學(xué)理論和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，腐蝕學(xué)界又掀起了一場(chǎng)航空結(jié)構(gòu)材料腐蝕預(yù)測(cè)的研究熱潮。2009年，Peratta等在歐洲腐蝕大會(huì)上介紹了飛機(jī)環(huán)境下典型宏觀結(jié)構(gòu)的電偶腐蝕建模問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電位分布和電偶總電流與邊界元計(jì)算結(jié)果高度一致[79]。Shi等以模型幾何形狀、高電位材料種類和溶液成分作為影響因素，對(duì)Al 7075合金和高電位材料的電偶接觸進(jìn)行了建模與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，電偶作用極大地影響了鋁合金局部腐蝕的萌生與擴(kuò)展[80]。Thébault等利用有限元法模擬了薄液膜下的雙金屬腐蝕（鋼和鋅），模型考慮了O2在電解液中的傳遞，使用SVET技術(shù)測(cè)量了電極邊緣電流密度，結(jié)果與計(jì)算值吻合較好[81]。Mizuno等模擬了大氣環(huán)境下 AA 5083鋁合金和AISI 4340鋼電偶腐蝕行為，并預(yù)測(cè)了由電偶作用引起的 AA 5083鋁合金的晶間腐蝕損傷[82-83]。Cross等采用時(shí)變有限元模型研究了鋼表面鋁鍍層和鋅鍍層之間的電偶腐蝕[84]。國(guó)內(nèi)的張勇等對(duì)鋁合金搭接件在模擬海洋大氣環(huán)境下的電偶腐蝕行為進(jìn)行了仿真研究[54]。

腐蝕工作者對(duì)普遍存在的縫隙腐蝕現(xiàn)象也進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真研究。Chen等研究了大氣環(huán)境下陰極電量提供能力與縫隙腐蝕穩(wěn)定性之間的關(guān)系，接著Agarwal等將薄液膜下陰極電流密度分布模型應(yīng)用到縫隙腐蝕研究中[85]。Song建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了可變寬度縫隙中的化學(xué)組成及腐蝕速率[86]。國(guó)內(nèi)的王巍等建立了NaCl溶液下304不銹鋼的二維穩(wěn)態(tài)縫隙腐蝕模型，考慮了溶解氧和 H+的作用，預(yù)測(cè)了縫隙內(nèi)的pH分布[87]。孫文等采用任意 Lagrangian–Eulerian模型計(jì)算了縫隙腐蝕隨時(shí)間的變化[88]，結(jié)果表明，縫隙內(nèi)的pH值分布及其變化與Alavi的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[89]十分吻合。文博和劉冬鵬等分別采用包含擴(kuò)散、對(duì)流和電遷移的控制方程，以Tafel關(guān)系式作為邊界條件預(yù)測(cè)了穩(wěn)態(tài)下不銹鋼的縫隙腐蝕[90-91]，結(jié)果均與文獻(xiàn)值相近。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，材料質(zhì)量損失與其均勻腐蝕之間存在一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：C+AtB。式中：t為時(shí)間，系數(shù)A、B、C由試驗(yàn)獲得。Melchers將這一模型進(jìn)一步擴(kuò)展為：Af1(m)f2(T)f3(C)+Bf4(r)f2(T)f5(C)，包括了露水、雨水、相對(duì)濕度、溫度和海鹽粒子引起的腐蝕[92]。

美軍最早開(kāi)展了基于電化學(xué)原理的裝備腐蝕預(yù)測(cè)研究，并逐步應(yīng)用到工程實(shí)際中去。美國(guó)國(guó)防部SBIR項(xiàng)目組對(duì)F18艦載機(jī)輪轂和機(jī)翼支托進(jìn)行腐蝕仿真，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)役機(jī)型腐蝕形貌高度吻合。美陸海軍先后委托 GCAS公司開(kāi)發(fā)了加速腐蝕專家模擬器系統(tǒng)（Accelerated Corrosion Expert Simulator，ACES），其采用了基于腐蝕電化學(xué)和涂層失效機(jī)理等分析的各種人工智能解決方案。陸軍用于全尺寸輪式車輛腐蝕模擬仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際加速腐蝕耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度相關(guān)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)車輛由于全面腐蝕、電偶腐蝕和縫隙腐蝕而隨時(shí)間的劣化趨勢(shì)。海軍航空兵根據(jù)飛機(jī)腐蝕特點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行了拓展，將普遍存在而又難于檢測(cè)的點(diǎn)蝕、剝蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂模型納入其中[93-95]。

歐盟為了減少與美國(guó)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)測(cè)方面的差距，空中客車公司、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)、CMI/Beasy公司聯(lián)合德國(guó)、法國(guó)、瑞士、英國(guó)、比利時(shí)、波蘭、希臘等歐洲國(guó)家的十個(gè)研究機(jī)構(gòu)在歐盟第六框架計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持下，通過(guò)“基于仿真的腐蝕管理”（Simulation Based Corrosion Management，SICOM）計(jì)劃，正在合作開(kāi)發(fā)飛機(jī)使用環(huán)境下腐蝕預(yù)測(cè)的決策支援工具（Decision Support Tool，DST），使其能夠評(píng)估飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料發(fā)生點(diǎn)蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估不同尺寸結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)，并優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面防護(hù)措施[96]。

目前，國(guó)內(nèi)在飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)測(cè)研究方面尚屬空白，缺乏大氣腐蝕電化學(xué)研究的試驗(yàn)及預(yù)測(cè)體系，沒(méi)有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

4 腐蝕預(yù)測(cè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金腐蝕預(yù)測(cè)方面還存在以下問(wèn)題有待解決。

1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面腐蝕環(huán)境的確定。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腐蝕環(huán)境多變，國(guó)外相關(guān)研究?jī)H按位置的不同簡(jiǎn)單將結(jié)構(gòu)表面腐蝕介質(zhì)分為溶液和薄液膜兩種，需要進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)薄液膜成因及液膜厚度影響因素的研究。另外，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大量存在的縫隙使腐蝕介質(zhì)滯留其中，形成了氧濃差電池，這種因素對(duì)液膜厚度影響也需要進(jìn)一步研究。

2）材料在海洋大氣環(huán)境下腐蝕電化學(xué)性能的準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題。準(zhǔn)確可靠的電化學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)是預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)。目前，溶液電化學(xué)測(cè)量技術(shù)相對(duì)成熟，而薄液膜下電化學(xué)性能的測(cè)量存在著兩方面問(wèn)題：一是改變了液膜狀態(tài)，影響了電極反應(yīng)傳質(zhì)過(guò)程；二是測(cè)量過(guò)程中液膜厚度難以保持穩(wěn)定，影響了測(cè)量準(zhǔn)確度。海洋大氣環(huán)境因素（Cl－濃度、溫度、pH值）對(duì)材料腐蝕電化學(xué)性能的影響也有待進(jìn)一步系統(tǒng)地研究。

3）腐蝕預(yù)測(cè)模型的選取問(wèn)題。對(duì)于溶液中或薄液膜下典型宏觀結(jié)構(gòu)的電偶腐蝕問(wèn)題，可選用穩(wěn)態(tài)腐蝕場(chǎng)進(jìn)行建模，而發(fā)生在狹窄縫隙內(nèi)的腐蝕，腐蝕介質(zhì)隨時(shí)間不斷變化，再使用穩(wěn)態(tài)腐蝕場(chǎng)進(jìn)行建模已不合適。目前對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)縫隙腐蝕的瞬態(tài)預(yù)測(cè)研究較少，需要進(jìn)一步對(duì)腐蝕過(guò)程和影響因素的量化分析進(jìn)行研究。

5 結(jié)語(yǔ)

海洋環(huán)境下飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)所處的位置不同，其腐蝕環(huán)境、腐蝕類型和腐蝕機(jī)理也不同，在進(jìn)行腐蝕預(yù)測(cè)時(shí)考慮的因素也會(huì)不同。文中對(duì)航空鋁合金的腐蝕機(jī)理、大氣腐蝕行為和腐蝕預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和分析，重點(diǎn)對(duì)腐蝕預(yù)測(cè)技術(shù)未來(lái)的研究方向提出了建議。

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