陳躍良，吳省均，張勇，卞貴學(xué)，張柱柱，張楊廣

（海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

鋁合金因其比強(qiáng)度高、比剛度高、塑性好、易于成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代航空工業(yè)中作為飛機(jī)主要的結(jié)構(gòu)材料而得到廣泛的應(yīng)用[1]。鋁合金材料常發(fā)生腐蝕損傷，如果不經(jīng)過(guò)表面處理就應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，則難以適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜嚴(yán)酷的使用環(huán)境。陽(yáng)極氧化工藝使鋁合金表面形成一層致密的薄膜層，可以提高鋁合金的耐蝕性，保持表面精度，而且該工藝對(duì)鋁合金機(jī)體疲勞性能的損傷較小，是常用的表面改性技術(shù)[2]。

于美等[3]通過(guò)對(duì)鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)比研究了硫酸陽(yáng)極化、鉻酸陽(yáng)極化和添加己二酸的硫酸陽(yáng)極化對(duì)鋁合金疲勞性能的影響。陳躍良等[4-5]對(duì)表面鉻酸陽(yáng)極氧化2024-T3 鋁合金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕后的DFR 試驗(yàn)，研究了其DFR 退化規(guī)律，并分析了疲勞斷口形貌。周松等[6]通過(guò)分析腐蝕形貌、腐蝕坑開(kāi)口面積、腐蝕深度、點(diǎn)蝕坑數(shù)量等變化，研究了2xxx鋁合金在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕行為。

眾多學(xué)者對(duì)于航空鋁合金在不同條件下的腐蝕行為及疲勞性能已有了深入的研究，但是其研究對(duì)象主要是含包鋁層的鋁合金，而在實(shí)際工況中，鋁合金結(jié)構(gòu)陽(yáng)極氧化膜被打磨掉（比如機(jī)身蒙皮要經(jīng)過(guò)銑、鏡像銑及局部減薄等加工，機(jī)身上的承重結(jié)構(gòu)及機(jī)框等都經(jīng)過(guò)數(shù)控加工而成，因而飛機(jī)上存在去包鋁層的鋁合金[7]）或破損的情況也確實(shí)存在。因此，對(duì)比研究陽(yáng)極氧化膜完好與破損兩類不同表面狀態(tài)的2024-T3 鋁合金的腐蝕行為、疲勞性能退化規(guī)律對(duì)于飛機(jī)材料的選取與防護(hù)、結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估具有實(shí)際意義。

文中制備含陽(yáng)極氧化膜和去陽(yáng)極氧化膜兩種2024-T3 鋁合金試件，進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)和腐蝕后的細(xì)節(jié)疲勞額定值（Detail Fatigue Rating, DFR）實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察腐蝕形貌，測(cè)量點(diǎn)蝕坑深度和孔蝕率，對(duì)兩種不同表面狀態(tài)的2024-T3 鋁合金在實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕條件下的腐蝕行為進(jìn)行了對(duì)比研究。通過(guò)計(jì)算DFR，對(duì)DFR 的退化規(guī)律也進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料選取飛機(jī)上廣泛用到的2024-T3 鋁合金，試件由軋制板材加工而成，其主要成分見(jiàn)表1。

將2024-T3 鋁合金薄板（表面鉻酸陽(yáng)極氧化，平均膜厚為8.4 μm）加工成尺寸如圖1 所示的試件。一部分試件保留表面陽(yáng)極氧化膜，另一部分試件依次使用240#、800#、1200#砂紙打磨掉陽(yáng)極氧化膜，以模擬實(shí)際服役過(guò)程中陽(yáng)極氧化膜破損的情況。

表1 2024-T3 鋁合金主要化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 2024-T3 aluminium alloy %

圖1 試驗(yàn)件Fig.1 Test pieces: a) test piece size; b) photos of test pieces

1.2 周期浸潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn)

干濕交替是導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕發(fā)生的主要原因之一[8]。大量試驗(yàn)研究表明，周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法可以很好地再現(xiàn)外場(chǎng)服役條件下金屬材料出現(xiàn)的腐蝕損傷。眾多文獻(xiàn)表明[8-9]，如圖2 所示的預(yù)腐蝕試驗(yàn)譜能很好地再現(xiàn)疲勞關(guān)鍵件在外場(chǎng)出現(xiàn)的腐蝕損傷。周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)一個(gè)周期的構(gòu)成如下所述。

圖2 預(yù)腐蝕實(shí)驗(yàn)譜Fig.2 Pre-corrosion test spectrum

1）試件在腐蝕溶液中浸泡7.5 min。腐蝕溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl 溶液，滴加稀H2SO4調(diào)節(jié)溶液pH 在4～4.5 之間，溶液溫度為40 ℃。

2）用遠(yuǎn)紅外燈在溫度為40 ℃、相對(duì)濕度為95%的條件下烘烤試件22.5 min，保證試件在臨近浸入腐蝕溶液前可被烘干。

1.3 DFR 試驗(yàn)

預(yù)腐蝕試驗(yàn)完成后，將試件在MTS810 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行DFR 試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境中，分別進(jìn)行應(yīng)力比R=0.06、頻率f=10 Hz、加載波形為Sine 波的等幅DFR 試驗(yàn)，補(bǔ)償方式為PVC 補(bǔ)償。

1）每組試驗(yàn)先用1 個(gè)試件進(jìn)行靜力標(biāo)定和載荷調(diào)試，選擇材料強(qiáng)度極限的60%～70%作為初始應(yīng)力水平。

2）在初始應(yīng)力水平下進(jìn)行DFR 試驗(yàn)，如果斷裂時(shí)疲勞壽命小于105或大于5×105次循環(huán)，則后續(xù)試件適當(dāng)降低或提高應(yīng)力水平。

3）重復(fù)該過(guò)程，直到所有試件試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 腐蝕形貌表征

依據(jù)GB/T 16545—2015 《去除腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)和電解清洗方法》去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物后，使用KH-7700 三維體式顯微鏡觀察試件表面腐蝕形貌，并使用三維功能測(cè)量試件的點(diǎn)蝕坑深度。

2 腐蝕行為對(duì)比研究

2.1 腐蝕形貌

經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)的兩類不同表面狀態(tài)的2024-T3 鋁合金試件的腐蝕形貌如圖3 所示?？梢钥闯觯?yáng)極氧化膜完好試件經(jīng)過(guò)72 h 的預(yù)腐蝕后，試件表面陽(yáng)極氧化膜開(kāi)始失色，Al 基體的銀灰色開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。直到預(yù)腐蝕180 h 后，試件表面才發(fā)生局部腐蝕，出現(xiàn)一兩個(gè)點(diǎn)蝕坑。隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑變寬、變深，但是數(shù)量增加緩慢。預(yù)腐蝕396 h 試件在邊緣處出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，鼓泡內(nèi)部呈灰色。

圖3 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜完好試件的腐蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of anodic oxide film intact specimen under different corrosion time

陽(yáng)極氧化膜破損試件在不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下的腐蝕形貌如圖4 所示。陽(yáng)極氧化膜破損試件在預(yù)腐蝕36 h后即開(kāi)始局部腐蝕，隨著腐蝕時(shí)間的增加，點(diǎn)蝕坑變寬變深變多。預(yù)腐蝕108 h 后，試件表面發(fā)生輕微剝蝕。和陽(yáng)極氧化膜完好試件相比，陽(yáng)極氧化膜破損試件的腐蝕損傷出現(xiàn)早，擴(kuò)展快。

圖4 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜破損試件的腐蝕形貌Fig.4 Corrosion morphology of anodic oxide film damaged specimen under different corrosion time

2.2 平均點(diǎn)蝕坑深度

點(diǎn)蝕坑深度是表征試件在一定時(shí)間內(nèi)腐蝕損傷度的重要參量之一，通過(guò)點(diǎn)蝕坑的深度、面積等信息可判斷腐蝕損傷度的大小和腐蝕速率的快慢。借助KH-7700 三維顯微鏡對(duì)清洗后的兩類試件進(jìn)行拍照，利用三維功能測(cè)量每個(gè)點(diǎn)蝕坑深度，以求客觀系統(tǒng)地表現(xiàn)腐蝕深度的變化規(guī)律。由于陽(yáng)極氧化膜破損試件點(diǎn)蝕坑太多，為方便起見(jiàn)，隨機(jī)選取5 個(gè)區(qū)域測(cè)量點(diǎn)蝕坑深度。將記錄結(jié)果分別列于表2、表3。

表2 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜完好試件的點(diǎn)蝕坑深度Tab.2 Depth of corrosion pits of anodic oxide film intact specimen under different corrosion time

表3 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜破損試件的點(diǎn)蝕坑深度Tab.3 Depth of corrosion pits of anodic oxide film damaged specimen under different corrosion time

文獻(xiàn)[10]指出點(diǎn)蝕坑深度D 與腐蝕時(shí)間t 符合冪函數(shù)關(guān)系：

式中：A、b 為擬合常數(shù)。

利用冪函數(shù)模型分別對(duì)兩類試件的平均點(diǎn)蝕坑深度進(jìn)行擬合（陽(yáng)極氧化膜完好試件出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑之前的腐蝕時(shí)間不計(jì)），陽(yáng)極氧化膜完好試件 Dintact=0.010 t1.5164，擬合精度R2為0.9698；陽(yáng)極氧化膜破損試件Ddamage=0.2016 t1.1219，擬合精度R2為0.9928，擬合曲線如圖5 所示?？梢?jiàn)，陽(yáng)極氧化膜可以推遲局部腐蝕發(fā)生的時(shí)間，減緩點(diǎn)蝕坑數(shù)量的增加和面積的擴(kuò)展速率，但是一旦出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，無(wú)法控制點(diǎn)蝕坑向基體內(nèi)部的發(fā)展。

圖5 平均點(diǎn)蝕坑深度變化曲線Fig.5 Changing curve of average corrosion pitting depth

2.3 孔蝕率

孔蝕率是指腐蝕區(qū)域內(nèi)所有腐蝕坑表面積之和與腐蝕區(qū)域總面積的比值，是一種對(duì)腐蝕程度進(jìn)行量化更為精確的研究手段[11]?？孜g率的定義為：

式中：A 為總的測(cè)試面積；n 為腐蝕坑數(shù)量；Api為第i 個(gè)腐蝕坑的平面投影面積。

由于腐蝕坑形狀的不規(guī)則性，傳統(tǒng)計(jì)量方法的計(jì)算結(jié)果難以滿足精確計(jì)算的需要。因此，為了滿足精度要求，通常采用Matlab 軟件對(duì)腐蝕形貌圖進(jìn)行二值化處理的方法，對(duì)不同灰度點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到孔蝕率[12]。

由于陽(yáng)極氧化膜完好試件表面點(diǎn)蝕坑數(shù)量太少，無(wú)法計(jì)算孔蝕率，故此處只計(jì)算陽(yáng)極氧化膜破損試件的孔蝕率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金孔蝕率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系尚未有公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式，但是文獻(xiàn)[10]表明，通?？孜g率α 與腐蝕時(shí)間t 符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

表4 不同腐蝕時(shí)間下陽(yáng)極氧化膜破損試件的孔蝕率Tab.4 Pitting corrosion rate of anodic oxide film damaged specimen under different corrosion time

式中：A、b 為擬合常數(shù)。

利用指數(shù)函數(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為α =2 .555 e0.02t，擬合精度R2為0.9470，擬合曲線如圖6 所示。

圖6 孔蝕率變化曲線Fig.6 Changing curve of pitting corrosion rate

3 DFR 退化規(guī)律對(duì)比研究

3.1 DFR 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[13]給出的方法去除粗大誤差后，兩類試件的DFR 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表5 不同預(yù)腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜完好試件的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of fatigue test of anodic oxide film intact specimen under different pre-corrosion time

表6 不同預(yù)腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜破損試件的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of fatigue test of anodic oxide film damaged specimen under different pre-corrosion time

3.2 DFR 退化規(guī)律

根據(jù)HB 7710-94 《金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值(DFRcutoff)試驗(yàn)方法》給出的步驟處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8、表9。

1）按雙參數(shù)Weibull 分布求出各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征壽命β：

式中：鋁合金 α=4

2）求可靠度R=95%，置信度C=95%的壽命：

式中：標(biāo)準(zhǔn)試樣ST=1；鋁合金可靠度系數(shù)SR=2.1；鋁合金置信度C=95%的置信度系數(shù)SC見(jiàn)表7。

表7 置信度系數(shù)Tab.7 Confidence interval

3）將一組 N95/95的數(shù)據(jù)代入式（6）中的計(jì)算DFR：

式中：對(duì)于鋁合金，S=2，σm0=310 MPa。

表8 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下陽(yáng)極氧化膜完好試件的DFR 值Tab.8 DFR of anodic oxide film intact specimen under different corrosion time

表9 不同腐蝕時(shí)間下陽(yáng)極氧化膜破損試件的DFR 值Tab.9 DFR of anodic oxide film damaged specimen under different corrosion time

從表8 和表9 中可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，兩類試件的DFR 整體都呈下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)[14]給出了DFR 的退化規(guī)律模型：

式中：DFR0為未腐蝕試件的DFR 值；n 為擬合常數(shù)；t 為腐蝕時(shí)間。

擬合得到陽(yáng)極氧化膜完好與破損兩類試件的DFR 隨腐蝕時(shí)間的變化曲線分別為：

擬合精度R2分別為0.8506、0.9736，擬合曲線如圖7 所示。

圖7 2024-T3 鋁合金DFR 變化曲線Tab.7 Changing curve of DFR of AA2024-T3

4 結(jié)論

1）陽(yáng)極氧化膜破損試件預(yù)腐蝕36 h 即發(fā)生局部腐蝕，預(yù)腐蝕108 h 后出現(xiàn)輕微剝蝕，最大點(diǎn)蝕坑深度為58.205 μm，最大點(diǎn)蝕坑深度D 和孔蝕率α與腐蝕時(shí)間t 的關(guān)系曲線為 Ddamage=0.2016t1.1219、α =2 .555 e0.02t；而陽(yáng)極氧化膜完好試件經(jīng)過(guò)180 h 的預(yù)腐蝕才出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)蝕坑，預(yù)腐蝕540 h 后試件表面出現(xiàn)9 個(gè)點(diǎn)蝕坑，最大點(diǎn)蝕坑深度為208.68 μm，最大點(diǎn)蝕坑深度D 與腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線為 Dintact=0.0101t1.5164。陽(yáng)極氧化膜可以推遲局部腐蝕的形成時(shí)間，減緩腐蝕損傷的擴(kuò)展速率，但是一旦出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，無(wú)法控制點(diǎn)蝕坑向基體內(nèi)部的發(fā)展。

2）通過(guò)多組不同時(shí)長(zhǎng)的周期浸潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn)及腐蝕后的DFR 試驗(yàn)，得到了陽(yáng)極氧化膜完好和破損兩類不同表面狀態(tài)2024-T3 鋁合金試件在不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)下的DFR。擬合得到兩類試件的DFR 退化規(guī)律分 別 為 D FRintact=83.703[lg(τ + 10 )]-0.1271、 D FRdamage=83.703[lg(τ + 10 )]-0.2334。