(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041)

飛機(jī)在服役過程中面臨各種復(fù)雜、嚴(yán)酷的自然環(huán)境，腐蝕問題不容忽視，而在飛機(jī)設(shè)計(jì)選材過程中，當(dāng)遇到金屬幾何構(gòu)型改變、耦接金屬種類增多等問題時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往無法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確判斷。眾所周知，腐蝕試驗(yàn)耗資大且耗時(shí)長(zhǎng)，在有限的飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、材料和防護(hù)體系完成試驗(yàn)驗(yàn)證具有較大困難，所以需要一種能夠快速準(zhǔn)確反映異形結(jié)構(gòu)或異種金屬耦接對(duì)于腐蝕影響的手段來指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)的選材、防腐蝕設(shè)計(jì)等[1-3]。目前，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，腐蝕仿真因能在較短的時(shí)間內(nèi)診斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)易發(fā)生腐蝕的部位、有效預(yù)測(cè)腐蝕深度、直觀揭示局部腐蝕機(jī)理，而被國(guó)內(nèi)外腐蝕領(lǐng)域?qū)W者廣泛研究[4-15]。

本工作針對(duì)飛機(jī)某結(jié)構(gòu)件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)件，利用周期浸潤(rùn)的方法進(jìn)行了腐蝕加速試驗(yàn)，構(gòu)建了基于二次電流分布的Comsol仿真模型，結(jié)合電偶電流和耦合電位對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)模擬件進(jìn)行了有限元仿真并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

典型結(jié)構(gòu)模擬件對(duì)飛機(jī)某結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，由壁板、襯套和轉(zhuǎn)軸組成，如圖1所示，材料分別為Aermet100結(jié)構(gòu)鋼、7050鋁合金和QA110-4-4銅合金，表面處理方式分別為鍍鎘鈦、硫酸陽極化和鈍化。由圖1(d)可見模擬件的左側(cè)為A面，右側(cè)為B面。

(a) 轉(zhuǎn)軸

(b) 襯套

(c) 壁板

(d) 模擬件實(shí)物圖圖1 試驗(yàn)件的示意圖及實(shí)物圖Fig. 1 Schematic diagram (a, b, c) and picture of real products (d) of the test pieces

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 腐蝕試驗(yàn)

將試驗(yàn)件浸泡在pH為4～4.5，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中，溶液溫度通過恒溫水浴控制在(43±2) ℃，試驗(yàn)一周期為8 h，共進(jìn)行12個(gè)周期，每周期結(jié)束后利用雷磁PHS-3C pH計(jì)測(cè)量溶液的pH，若pH發(fā)生變化，則利用稀H2SO4調(diào)節(jié)溶液pH。

1.2.2 電化學(xué)試驗(yàn)

采用線切割方法將三種模擬件切割成尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的長(zhǎng)方體試樣，除預(yù)留一個(gè)10 mm×10 mm的工作面外，其余面用環(huán)氧樹脂密封在PVC管中，待環(huán)氧樹脂完全固化后，無水乙醇和丙酮清洗、除油，吹干后置于干燥皿內(nèi)待用。采用工作電極、飽和甘汞電極和鉑電極三電極體系，接入PARSTAT4000電化學(xué)工作站。采用動(dòng)電位掃描法，掃描范圍為-500～500 mV，掃描速率為0.166 7 mV/s，并利用VersaStudio軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到極化曲線。

將電偶對(duì)分別連接于電化學(xué)工作站的工作電極和接地電極進(jìn)行電偶電流的測(cè)量，測(cè)量過程中用參比電極對(duì)耦合體系的耦合電位變化進(jìn)行記錄，測(cè)量時(shí)間為4×3 600 s ，每10 s取一點(diǎn)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 極化曲線

由圖2和表1可見： 7050鋁合金的自腐蝕電位最低，而QAl10-4-4銅合金的自腐蝕電位最高，Aermet100結(jié)構(gòu)鋼和QAl10-4-4銅合金具有明顯的鈍化特征。

圖2 三種材料的動(dòng)電位極化曲線Fig. 2 Dynamic potential polarization curves of three materials

2.2 腐蝕形貌

由圖3～6可見：經(jīng)過2個(gè)周期腐蝕試驗(yàn)后，試驗(yàn)件A面鋁合金與銅合金交界處腐蝕產(chǎn)物堆積增加，B面交界處開始有少量腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸外露部分表面未發(fā)現(xiàn)有腐蝕痕跡。經(jīng)過7個(gè)周期腐蝕試驗(yàn)后，模擬件的腐蝕依然主要發(fā)生在A面和B面壁板與襯套之間，且A面的腐蝕更加嚴(yán)重，轉(zhuǎn)軸和襯套表面未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。

3 腐蝕仿真模型

3.1 仿真原理

(a) 第2周期

(b) 第7周期

(c) 第12周期圖3 模擬件經(jīng)不同腐蝕試驗(yàn)周期后的宏觀形貌Fig. 3 Macroscopic morphology of simulated samples after different corrosion test cycles

(a) A面

(b) B面圖4 模擬件經(jīng)2個(gè)周期腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌Fig. 4 Surface morphology of simulated sample after two cycles of corrosion test

(a) A面

(b) B面圖5 模擬件經(jīng)7個(gè)周期腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of simulated sample after 7 cycles of corrosion test

(a) A面

(b) B面圖6 模擬件經(jīng)12個(gè)周期腐蝕試驗(yàn)后的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of simulated sample after 12 cycles of corrosion test

溶液狀態(tài)下，從電解質(zhì)溶液中取一正方體微小單元，假設(shè)帶電粒子i從x，y，z三個(gè)方向通過，其總傳輸通量Ni(mol·m-2·s-1)滿足Nernst-Planck方程[5,12]，見式(1)。

Ni=-Di▽ci-ziFuici▽?duì)誰+ciU

(1)

式中：Di為第i種帶電粒子的擴(kuò)散系數(shù)，m/s；ci為粒子濃度，mol/m3；zi為電荷數(shù)；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；ui為遷移率，mol·s/kg；φl為電解質(zhì)溶液電勢(shì)，V；U為溶液流速，m/s。

假定粒子i沒有或參與的化學(xué)反應(yīng)量小，對(duì)其在腐蝕介質(zhì)中的濃度影響不大，即不存在濃度梯度，無擴(kuò)散現(xiàn)象，同時(shí)假定腐蝕介質(zhì)無強(qiáng)制對(duì)流[4,9,14]，由法拉第(Faraday)定律、歐姆定律可以簡(jiǎn)化模型得到式(2)：

(2)

式(2)為典型的Laplace方程，描述了腐蝕電場(chǎng)中的電勢(shì)分布規(guī)律，式中的▽2為L(zhǎng)aplace算子，x，y，z為微元在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.2 邊界條件

仿真模型以三種材料的極化曲線(圖2)分別作為模型的邊界條件，耦合體系中，電位最高的QAl10-4-4銅合金為陰極，電位最低的7050鋁合金為陽極，分別利用其電化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)或整條陰極、陽極極化曲線作為邊界條件，對(duì)介于兩者之間的Aermet100結(jié)構(gòu)鋼來說，其可能作陰極也可能作陽極，采用分段線性插值函數(shù)表示其整條極化曲線并作為邊界條件。

3.3 試片仿真模型的正確性驗(yàn)證

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

7050/Aermet100、7050/QAl10-4-4、Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)的電偶電流與耦合電位如圖7～9所示。

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流圖7 7050/QAl10-4-4電偶對(duì)的耦合電位與電偶電流(試驗(yàn)值)Fig. 7 Coupling potential and galvanic current of 7050/QAl10-4-4 galvanic couple (test value)

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流圖8 7050/Aermet100電偶對(duì)的耦合電位與電偶電流(試驗(yàn)值)Fig. 8 Coupling potential and galvanic current of 7050 and Aermet100 galvanic couple(test value)

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流圖9 Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)的耦合電位與電偶電流(試驗(yàn)值)Fig. 9 Coupling potential and galvanic current of QAl10-4-4 and Aermet100 galvanic couple(test value)

由圖7～9可見：7050/QAl10-4-4和Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)在6000 s時(shí)的電偶電流基本趨于穩(wěn)定，7050/Aermet100電偶對(duì)更早出現(xiàn)電偶電流穩(wěn)定現(xiàn)象，隨著電偶電流穩(wěn)定，7050/QAl10-4-4、7050/Aermet100、Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)的耦合電位分別在-0.86 V、-0.84 V、-0.79 V上下波動(dòng)，取其穩(wěn)定后的電偶電流分別為62.712 8、45.176、40.874 1 μA。電偶電流Ig-t,E-t曲線在測(cè)量過程中會(huì)發(fā)生或大或小的波動(dòng)，一方面是由于合金中電位較低的元素在表面容易發(fā)生溶解，導(dǎo)致材料表面狀態(tài)不斷變化，從而造成Ig和E波動(dòng)；另一方面材料表面在溶液中形成的腐蝕膜被破壞，由于腐蝕膜層的保護(hù)性差，容易發(fā)生點(diǎn)蝕，同時(shí)腐蝕膜又再次形成或自修復(fù)，因此腐蝕膜反復(fù)經(jīng)歷破壞和形成過程，這也是引起Ig和E波動(dòng)的原因。

3.3.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

仿真得到的7050/Aermet100、7050/QAl10-4-4、Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)的耦合電位和電偶電流如圖10～12所示。

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流

對(duì)各個(gè)電偶對(duì)表面電流密度I進(jìn)行派生值面積分Ig=??idA，獲得各電偶對(duì)之間的電偶電流Ig。圖13為電偶對(duì)的仿真模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

(a) 耦合電位

(b) 電偶電流圖13 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 13 Comparison of simulation results and test results：(a) coupling potential; (b) galvanic current

可以看出：采用仿真計(jì)算得到的3個(gè)電偶對(duì)(7050/QAl10-4-4、7050/Aermet100、Aermet100/QAl10-4-4電偶) 的電偶電流都略小于實(shí)測(cè)值，這可能是由于合金中含有較多的第二相因子，第二相元素的含量、電位等不盡相同造成的，可以與基材形成新的多電偶對(duì)從而加速腐蝕。

3.4 模擬件仿真結(jié)果

由圖14可見：根據(jù)仿真模型結(jié)果，模擬件的耦合電位在-861 mV左右波動(dòng)，模擬件的局部電流分布如圖15所示，其中上圖為局部電流的絕對(duì)值分布，下圖為陽極局部電流分布。從電流正負(fù)性可以看出，當(dāng)7050鋁合金為陽極，Aermet100鋼和QAl10-4-4銅合金為陰極受到保護(hù)時(shí)，模擬件A面鋁合金與銅合金耦接處電流密度最大，優(yōu)先發(fā)生腐蝕，B面鋁合金與銅合金耦接處電流密度僅次于A面耦接處的，故隨后發(fā)生腐蝕，且腐蝕程度沒有A面大，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(a) A面

(b) B面圖14 模擬件的電位分布Fig. 14 Potential distribution of simulated sample

(a) 電流密度絕對(duì)值

(b) 陽極電流密度圖15 模擬件的電流密度分布Fig. 15 Current density distribution of simulated sample:(a) absolute value of current density; (b) anodic current density

4 結(jié)論

(1) 分別測(cè)量了7050Al鋁合金、QAl10-4-4銅合金和Aermet100結(jié)構(gòu)鋼的極化曲線及其耦接后各電極表面電偶電流，構(gòu)建了基于二次電流分布的Comsol有限元仿真模型，仿真計(jì)算了7050Al/Aermet100、7050Al/QAl10-4-4、Aermet100/QAl10-4-4電偶對(duì)表面電位及局部電流密度分布，對(duì)各電極表面進(jìn)行局部電流密度面積分，得到了其仿真電偶電流，發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的電偶電流及耦合電位都略小于試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值，但差值較小，證明了模型的可行性。

(2) 腐蝕優(yōu)先發(fā)生于A面鋁合金與銅合金交界處，隨后B面鋁合金與銅合金交界處發(fā)生腐蝕，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕加重，但A面鋁銅交界處腐蝕更加嚴(yán)重，轉(zhuǎn)軸和襯套表面未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，這與仿真得到的結(jié)果基本一致。

(3) 該仿真模型選取飛機(jī)結(jié)構(gòu)件局部作為研究對(duì)象，通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，驗(yàn)證模型正確性，這對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材具有較好的參照作用，改進(jìn)后可適用于更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件乃至整機(jī)的腐蝕預(yù)測(cè)。