李智，呂勝利，劉轉(zhuǎn)娥，馬君峰

（1. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安 710300；2. 西北工業(yè)大學(xué) 無人機特種

技術(shù)重點實驗室，西安 710065；3. 航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089；

4. 中國飛機強度研究所，西安 710065）

2A12 鋁合金是一種高強度硬鋁，具有質(zhì)量輕力學(xué)性能好的優(yōu)點，在飛機等航空裝備中得到大量應(yīng)用。大氣環(huán)境中含有多種腐蝕性物質(zhì)，會造成鋁合金材料的腐蝕損傷，成為飛機零件失效的重要原因之一。材料的腐蝕行為受多種因素影響，從而呈現(xiàn)出不同的腐蝕類型和損傷特征[1-2]。文獻(xiàn)[3-9]表明，零件的表面粗糙度是影響材料腐蝕行為的重要因素之一。在飛機各個零件的加工過程中，采用了多種不同的冷熱加工工藝，如金屬切削壓力成形焊接等，不同的加工方法使零件表面具有不同的粗糙度。為研究2A12 鋁合金在環(huán)境中的腐蝕損傷演化規(guī)律，明確零件表面粗糙度對材料腐蝕損傷特征的影響，開展實驗室內(nèi)2A12 鋁合金在EXCO 腐蝕溶液中的加速腐蝕實驗[10]。該研究對于明確2A12 鋁合金的腐蝕損傷機理具有重要意義，并為合理確定飛機2A12 鋁合金零件加工的表面質(zhì)量指標(biāo)提供了理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 方法

腐蝕的發(fā)生發(fā)展是一個較為緩慢的過程。在鋁合金材料的實際服役環(huán)境中，常見的腐蝕類型為點蝕和剝落腐蝕，而剝落腐蝕在發(fā)生的初期階段也表現(xiàn)為點蝕的形態(tài)。為便于研究，在實驗室內(nèi)開展常溫下2A12 鋁合金材料的加速腐蝕實驗。EXCO（exfoliation corrosion）溶液是強酸性的腐蝕介質(zhì)，表觀pH 值為0.4。文獻(xiàn)[11]指出，EXCO 溶液浸泡可以再現(xiàn)外場出現(xiàn)的腐蝕損傷，是一種合理有效的加速腐蝕試驗方法。針對LYl2CZ 矩形平板試件EXCO 溶液加速腐蝕和青島團島大氣暴露試驗，采用統(tǒng)計分析的方法得出對應(yīng)50%置信水平的加速腐蝕因子為2.60 a/d，即實驗室加速腐蝕l d 相當(dāng)于外場暴露2.60 a。因此，依據(jù)ASTM(G34-01)標(biāo)準(zhǔn)配制EXCO 溶液作為實驗腐蝕介質(zhì)，其成分見表1。腐蝕溶液體積與試驗樣品腐蝕區(qū)域面積之比為30 mL/cm2。

表1 EXCO 溶液的成分及比例

采用線切割工藝，制得2A12-T4 鋁合金板矩形試驗件。為便于觀察樣品腐蝕形貌隨腐蝕時間的演化過程及表面粗糙度值對腐蝕損傷的影響，利用3D 掃描成像技術(shù)對實驗樣品表面進(jìn)行掃描，取得待腐蝕區(qū)域表面微觀幾何特征數(shù)據(jù)，實現(xiàn)表面粗糙度值的數(shù)字化定量表征。采用正交實驗方案，以腐蝕時間表面粗糙度值為控制變量進(jìn)行分組實驗。將準(zhǔn)備好的樣品待腐蝕區(qū)域浸沒于EXCO 溶液中。腐蝕時間分別控制為246 h，相當(dāng)于在實際環(huán)境中服役80160240 d。達(dá)到規(guī)定的腐蝕時間后，取出樣品，觀察腐蝕區(qū)域的宏微觀形貌，分析 2A12 鋁合金材料在EXCO 溶液中的腐蝕損傷演化規(guī)律。觀察不同表面粗糙度樣品腐蝕后形貌的差異，比較分析表面粗糙度對樣品腐蝕行為的影響。腐蝕坑的深度可用來反映材料的腐蝕損傷程度。采用激光位移傳感測量技術(shù)測量樣品表面蝕坑深度數(shù)據(jù)，作為損傷程度的表征值，以實現(xiàn)粗糙度值對樣品腐蝕損傷程度影響的定量研究。

1.2 樣品

選擇厚度為3 mm 的2A12-T4 軋制鋁合金板為實驗材料，其化學(xué)成分見表2。采用線切割工藝加工矩形實驗樣品，設(shè)計尺寸為20 mm×100 mm，邊緣打磨光滑。樣品前端部15 mm 為腐蝕區(qū)域，如圖1 所示。用機械拋光的方法去除表面包覆層。將試驗件分為AB 兩組，并對將要腐蝕的區(qū)域進(jìn)行不同的表面處理：A 組用500#水砂紙打磨，B 組用500#800#1200#1500#水砂紙逐級打磨。使用Coherix ShaPix 3D 高精度光學(xué)平面測量儀對打磨后試驗件掃描成像，取得待腐蝕區(qū)域的微觀幾何特征數(shù)據(jù)，如圖2 所示。該數(shù)據(jù)可表征兩組試驗件不同的表面粗糙度。掃描結(jié)果顯示，AB 兩組試驗件的表面微觀不平峰谷值最大差值分別為7.04.8 μm。

圖1 試驗樣品

表2 2A12 鋁合金材料的化學(xué)成分 %

圖2 試驗件腐蝕前表面微觀幾何特征

1.3 試驗步驟

使用LHS-100CL 恒溫箱控制腐蝕試驗環(huán)境溫度為 25 ℃。使用石蠟涂覆加工打磨好的樣品非腐蝕區(qū)。將AB 組試驗樣品端部腐蝕區(qū)域分別浸泡于裝有90 mL 腐蝕溶液的玻璃容器內(nèi)?？刂聘g時間長度分別為246 h，以取得不同表面粗糙度及腐蝕時間下的腐蝕樣本。達(dá)到規(guī)定腐蝕時間后，取出試樣，用Union DZ 3 連續(xù)變焦視頻顯微鏡對腐蝕區(qū)域形貌腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察。利用超聲振動清洗去除腐蝕產(chǎn)物并用冷風(fēng)吹干，然后用 Hp Scanjet-8200 掃描儀對腐蝕區(qū)域掃描，取得宏觀腐蝕形貌，再對去除腐蝕產(chǎn)物后的樣品表面進(jìn)行顯微觀察。然后用 KEJING SCH-Ⅰ測厚儀配合 Keyence LK-G30 激光位移傳感器對樣品表面蝕坑深度進(jìn)行測量，取得蝕坑深度分布數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀腐蝕形貌演化分析

AB 兩組試驗件在25 ℃的恒溫環(huán)境中，經(jīng)過時長分別為246 h 腐蝕后的表面宏觀形貌如圖3 所示。對于A 組樣品，當(dāng)腐蝕時間達(dá)到2 h（如圖3a所示），樣品表面腐蝕區(qū)域出現(xiàn)較多點蝕坑，蝕坑尺寸較小，在整個腐蝕區(qū)域呈大致均勻分布；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到4 h（如圖3b 所示），部分蝕坑變大，顏色變黑，表明蝕坑深度增加；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到6 h（如圖3c 所示），蝕坑已擴展且相互連接成片，腐蝕區(qū)域呈大面積均勻腐蝕狀態(tài)，腐蝕程度嚴(yán)重。對于B 組樣品，當(dāng)腐蝕時間達(dá)到2 h（如圖3d 所示），樣品表面僅有極少的腐蝕活性點；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到4 h（如圖3e 所示），可見微小蝕坑的分布密度變大，但腐蝕程度較輕，近似于A 組樣品2 h 的腐蝕程度；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到6 h，腐蝕有了進(jìn)一步發(fā)展，蝕坑分布密度進(jìn)一步增加，但蝕坑尺寸擴展程度有限，說明樣品腐蝕損傷較小。

2.2 微觀腐蝕形貌演化分析

通過Union DZ 3 視頻顯微鏡觀察樣品表面微觀腐蝕形貌。以A 組試驗件不同時長下腐蝕形貌的對比來說明樣品腐蝕形貌隨時間演化的過程。圖 4a—c分別為A 組樣品腐蝕246 h 后的腐蝕形貌?？梢钥闯?，在腐蝕2 h 后，樣品表面已經(jīng)出現(xiàn)較多獨立分布的腐蝕坑，開口尺寸大約為10~20 μm，形狀大致近似圓形；當(dāng)腐蝕時間增加到4 h，腐蝕程度明顯加劇，樣品表面出現(xiàn)分布密集的腐蝕坑，蝕坑開口尺寸大約為30~50 μm，且相鄰蝕坑逐漸出現(xiàn)連結(jié)，蝕坑顏色變得更黑，顯示蝕坑深度變大；當(dāng)腐蝕達(dá)到6 h，相互連接的蝕坑融合為一體，造成樣品表面更大的腐蝕損傷。

B 組樣品腐蝕形貌的結(jié)果顯示，有著與A 組相同的形貌演化過程，但腐蝕程度較輕。B 組樣品腐蝕6 h 后的表面形貌如圖5 所示，可見樣品表面出現(xiàn)若干大小不一形態(tài)各異的點蝕坑，但較多蝕坑的開口形狀近似于圓形或不規(guī)則形狀，單個點蝕坑開口尺寸范圍在20~80 μm 之間，少部分蝕坑在擴展過程中相互連接，造成較大面積的腐蝕損傷。蝕坑邊緣有堆積的白色腐蝕產(chǎn)物，表現(xiàn)出晶間腐蝕的特征。

圖3 樣品宏觀腐蝕形貌

圖4 腐蝕形貌隨時間的演化

2.3 腐蝕損傷分析

樣品在去除腐蝕產(chǎn)物后，能夠更加清晰地呈現(xiàn)出材料腐蝕損傷的狀況。隨著時間的延長，數(shù)個較小的腐蝕坑擴展并連接成圓形較大蝕坑的過程如圖6 所示。當(dāng)腐蝕進(jìn)行到4 h，在圖6 所示區(qū)域，材料的表面已出現(xiàn)約10 個點蝕坑，蝕坑開口尺寸在20~50 μm之間；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到6 h，這些蝕坑已融合在一起，形成一個圓形的較大蝕坑，蝕坑開口尺寸約200 μm。多個較大蝕坑進(jìn)一步連接成片，從而使腐蝕形貌演化為全面均勻腐蝕的過程如圖7 所示。

圖5 2A12 鋁合金樣品在EXCO 溶液中微觀腐蝕形貌

圖6 較大點蝕坑的形成過程

由圖7 可見，隨著時間的延長，1234 四個蝕坑不斷擴展，進(jìn)而連接成片。值得指出，并沒有證據(jù)表明蝕坑是“有意”相互靠近連接，而是各自獨立發(fā)展，由于尺寸擴大而導(dǎo)致勾連成片。圖8 顯示，蝕坑不僅向四周擴展，還沿深度方向發(fā)展，且程度不均，這將對材料性能造成更加嚴(yán)重的損傷。蝕坑中顏色的差異表明在深度方向上的差異，顏色較深的區(qū)域顯然具有更大的蝕坑深度尺寸。

圖7 獨立點蝕坑發(fā)展連接成片

圖8 點蝕坑向深度方向發(fā)展

由圖9 可見，蝕坑邊緣萌生微小裂紋。其原因在于腐蝕對材料表面的破壞使得淺表層材料失去了原有的平衡分布狀態(tài)，形成了內(nèi)應(yīng)力，而蝕坑邊界的不規(guī)則性易造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而促進(jìn)了微小裂紋的萌生。隨著腐蝕時間的延長，微裂紋擴展，有成為宏觀可見較大裂紋的可能性，如圖10 所示。

圖9 蝕坑不規(guī)則邊界處萌生裂紋

2.4 表面粗糙度對腐蝕損傷的影響分析

圖11 顯示，樣品表面粗糙度在蝕坑的發(fā)展過程中具有很大的影響。箭頭所指位置顯示，蝕坑的邊界沿著表面較深的打磨紋理發(fā)展。這說明表面粗糙度對樣品的腐蝕行為產(chǎn)生了重要影響，在一些情況下決定了蝕坑擴展的方式。打磨形成的紋理，可被看作是樣品表面因加工而留下的“劃痕”。沿著樣品表面紋理發(fā)展的同時，腐蝕將向深度發(fā)展，可能在樣品表面形成裂紋，給材料造成嚴(yán)重?fù)p傷。

圖10 微裂紋擴展為宏觀可見裂紋

圖11 表面劃痕對蝕坑擴展的影響

蝕坑深度尺寸能夠更好地表征材料因腐蝕而受到的損傷，因此通過對AB 兩組具有不同表面粗糙度樣品在腐蝕后的蝕坑深度數(shù)據(jù)來比較分析粗糙度對材料腐蝕損傷的影響。腐蝕時間為2 h 時，兩組樣品蝕坑深度的分布如圖12 所示。依據(jù)蝕坑分布深度，可見B 組腐蝕損傷程度小于A 組。兩組樣品蝕坑平均深度的對比見表3，由表3 可知，當(dāng)腐蝕時間分別為246 h 時，B 組的蝕坑深度都遠(yuǎn)小于A 組。當(dāng)腐蝕時間為2 h，B 組的蝕坑深度僅為A 組的43.07%，隨著時間的延長，差距縮小；當(dāng)腐蝕時間達(dá)到6 h，B組的蝕坑深度為A 組的62.46%。原因在于隨著腐蝕程度的加大，材料逐漸失去其原有表面微觀幾何特征，粗糙度對材料腐蝕行為的影響降低。另外，對比蝕坑深度與蝕坑開口尺寸可以看出，開口尺寸遠(yuǎn)大于坑深，說明腐蝕沿材料表面發(fā)展得更快，而沿深度方向的發(fā)展較慢?？梢酝茢啵舾g時間繼續(xù)延長，點蝕將繼續(xù)在材料表面擴展融合，發(fā)展為全面腐蝕，同時也不能排除發(fā)生蝕坑沿深度方向發(fā)展，造成穿孔的可能性。

圖12 兩組樣品蝕坑深度分布對比（t=2 h）

表3 不同表s 面質(zhì)量及腐蝕時長的樣品平均腐蝕深度

3 結(jié)論

1）常溫下，當(dāng)腐蝕時間不超過6 h（當(dāng)量腐蝕時間240 d），2A12 鋁合金在EXCO 溶液中的腐蝕類型為點蝕。樣品表面首先出現(xiàn)微小的腐蝕活性點，這些活性點逐漸發(fā)展成為小的點蝕坑。隨時間的推移，蝕坑邊界融合成片，形成較大狀腐蝕損傷。由于蝕坑在材料表面擴展的速度高于坑深方向，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕類型有轉(zhuǎn)變?yōu)槿娓g的趨勢。

2）樣品腐蝕程度隨時間延長而加劇，但與表面微觀幾何不平度值為7 μm 的樣品相比，4.8 μm 樣品的腐蝕發(fā)展程度較輕。說明在EXCO 溶液中，表面粗糙度對2A12 鋁合金樣品的腐蝕具有重要的影響。表面粗糙度通過改變腐蝕發(fā)展方向的方式來影響樣品的腐蝕行為。點蝕坑向四周的擴展會受到材料表面較深紋理的制約，并沿著紋理的方向發(fā)展，存在著演化為微裂紋的可能性。隨著腐蝕時間的延長，材料逐漸失去其原有表面微觀幾何特征，表面粗糙度對腐蝕行為的影響下降。

3）點蝕沿各個方向的不均衡發(fā)展形成了不規(guī)則的蝕坑邊界，而不規(guī)則的蝕s 坑邊界易造成嚴(yán)重應(yīng)力集中，誘發(fā)微裂紋的萌生。

4）提高零件表面加工質(zhì)量，降低粗糙度值，可以有效降低2A12 鋁合金材料在EXCO 溶液中的腐蝕損傷。