馮成慧，王繼普，趙連紅，李金亮，趙偉，劉元海，王乾平

（1.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089；2.中國特種飛行器研究所， 結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

鈦及鈦合金是比強度高、耐高溫、耐蝕性好的金屬材料，得到航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。飛機普遍提高了鈦合金的用量，其中空中客車鈦用量從第三代客機A320的4.5%增至第四代客機A340的6%，A380客機的鈦合金用量增至10%。鈦合金零件具有較好的可焊接和機械加工性能，逐漸在航空裝備的緊固件（螺釘、螺栓、螺母）、結(jié)構(gòu)件（機身、引擎機艙、機翼、外殼板、骨架、縱梁、隔板、肋骨、飛機蒙皮、隔框和飛機起落架）上應(yīng)用。隨著飛機在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下服役機會的逐漸增多，長期面臨高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境，易導(dǎo)致鈦合金使用部位發(fā)生腐蝕，特別是對于鈦合金–鋁合金混雜結(jié)構(gòu)而言（比如A380襟翼的典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)，如圖1所示），異種金屬接觸導(dǎo)致電偶腐蝕敏感性高，混雜結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電偶腐蝕，導(dǎo)致鈦合金–鋁合金混雜結(jié)構(gòu)快速腐蝕破壞，直接影響飛機結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。

圖1 A380襟翼“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu) Fig.1 A380 flap “titanium-aluminum” composite lug structure

針對典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)形式，開展腐蝕環(huán)境下的腐蝕行為特征和規(guī)律，目的在于研究現(xiàn)有防護狀態(tài)下典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能，為“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣

試驗件為“鈦–鋁”復(fù)合耳片+銅襯套的結(jié)構(gòu)形式，主體材料采用7050鋁合金和Ti-6Al-4V鈦合金，按照現(xiàn)有典型“鈦–鋁”混雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有腐蝕防護措施。試驗件7050鋁合金的防護體系為硼硫酸陽極化+XXX環(huán)氧底漆，Ti-6Al-4V鈦合金為溶膠–凝膠處理+XXX環(huán)氧底漆。鈦合金和鋁合金之間采用貼合面密封，試驗件的銅襯套鈍化，鈦合金螺栓為離子鍍鋁。試驗件的腐蝕防護狀態(tài)見表1。典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件為5件，試驗件如圖2所示。

表1 典型“鈦–鋁”混雜結(jié)構(gòu)試驗件腐蝕防護狀態(tài) Tab.1 Corrosion protection state of test piece of typical “titanium-aluminum” composite lugs

1.2 試驗環(huán)境

圖2 典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片試驗件 Fig.2 Test piece diagram of typical “titanium-aluminum” composite lugs

腐蝕環(huán)境中的高濕熱、高鹽霧腐蝕環(huán)境對典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)的腐蝕影響最為嚴(yán)重，試驗重點考慮濕熱和鹽霧環(huán)境對結(jié)構(gòu)的腐蝕影響，同時考慮低溫疲勞對“鈦–鋁”復(fù)合耳片受載變形影響導(dǎo)致的防護體系破壞。綜合以上因素，參考CASS譜的試驗?zāi)K組成，由于結(jié)構(gòu)不受紫外線作用和熱沖擊 作用，裁剪去掉紫外模塊和熱沖擊2個試驗?zāi)K，最終形成濕熱暴露試驗–低溫疲勞試驗–鹽霧試驗3個模塊。其中，濕熱暴露試驗?zāi)K參考劉文珽等提出的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)涂層加速腐蝕環(huán)境譜來確定；低溫疲勞模塊結(jié)合試驗件結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平為80 MPa，溫度為－53 ℃，同時統(tǒng)計試驗件結(jié)構(gòu)1 a的疲勞載荷作用次數(shù)約為3 000次，試驗應(yīng)力比取0.06，頻率為50 Hz；定中性鹽霧為4 d、酸性鹽霧為3 d的鹽霧試驗條件。最后形成典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片腐蝕防護性能試驗環(huán)境譜，即試驗周期時間約為336 h，包括168 h濕熱試驗、72 h酸性鹽霧試驗、96 h中性鹽霧試驗和10 min的低溫疲勞試驗，試驗共10個周期。試驗的加速試驗環(huán)境譜如圖3所示。

圖3 加速試驗環(huán)境譜 Fig.3 Accelerated testing environment spectrum

1.3 方法

按照如圖3所示的加速試驗環(huán)境譜，開展典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件實驗室加速腐蝕環(huán)境試驗，試驗周期為10個循環(huán)。嚴(yán)格按照試驗程序開展環(huán)境試驗，每個循環(huán)依次為試驗件清洗、初始檢測、周期性加速腐蝕試驗、周期性取樣檢測分析等程序。在加速試驗中，參照GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第9部分：濕熱試驗》的試驗步驟和要求開展?jié)駸嵩囼?。低溫疲勞試驗按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》第6節(jié)試驗程序開展，低溫環(huán)境采用與疲勞試驗機配套的低溫環(huán)境試驗箱協(xié)同實施，低溫疲勞試驗如圖4所示。參照GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第11部分：鹽霧試驗》開展鹽霧試驗。每個周期試驗結(jié)束后，參照GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》，采取目視或10×放大鏡檢查所有試驗件涂層表面是否存在起泡、銹蝕、剝落、開裂缺陷。按GB/T 9754《色漆和清漆不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的確定》第10部分測定老化前后的光澤，計算失光率。按GB/T 11186《漆膜顏色的測量方法》第2部分顏色測量和第3部分色差計算，采用便攜式分光測色計測量和計算涂層試驗前后的色差值（L值、A值和B值）。在試驗件腐蝕疲勞破壞后，通過掃描電鏡（SEM，德國Zeiss EVO 10）分析平行面的形貌、腐蝕產(chǎn)物的成分，用能譜（EDS）半定量分析元素的含量。利用SEM的背散射功能觀察元素分布，二次電子功能觀察形貌，分析典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片斷口及腐蝕疲勞斷裂機理。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

圖4 低溫疲勞試驗 Fig.4 Low temperature fatigue test: a) test site; b) fixture installation of test piece

在典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件10個周期的加速腐蝕試驗過程中，每個周期試驗結(jié)束后，檢測試驗件涂層腐蝕和破壞情況。試驗件涂層（除銅襯套附近區(qū)域）隨著試驗的開展有顏色變化，防護涂層無鼓泡、剝落、開裂等現(xiàn)象。在試驗件的銅襯套附近， 鋁合金板基材出現(xiàn)的腐蝕較為嚴(yán)重。在試驗初期，銅襯套附近區(qū)域出現(xiàn)零星腐蝕。隨著試驗的開展，在第2周期，銅襯套上面的密封膠出現(xiàn)少量剝離。到試驗中期，試驗件涂層出現(xiàn)起泡和鼓包現(xiàn)象，在銅襯套與鋁合金接觸部位出現(xiàn)涂層開裂破壞，少部分鋁合金基材出現(xiàn)點蝕。隨著試驗的開展，到第5周期、試驗件銅襯套上的密封膠已經(jīng)完全脫落，試驗件銅襯套周圍鋁合金基材腐蝕坑的數(shù)量增多，腐蝕面積增大（第3周期的單個蝕坑面積小于1 mm，腐蝕深度小于0.1 mm；第10周期的單個蝕坑面積大于2 cm，腐蝕深度大于1.5 mm），并伴有腐蝕微裂紋現(xiàn)象。到第8周期，試驗件的銅襯套與鋁合金接觸部位出現(xiàn)較為嚴(yán)重的腐蝕坑，且腐蝕坑沿裂紋方向發(fā)展。在第10周期，“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件出現(xiàn)腐蝕疲勞斷裂。對第1—10周期試驗件涂層光澤、色差和銅襯套周圍的腐蝕坑數(shù)量進行了檢測統(tǒng)計，其中涂層光澤見表2，涂層色差見表3，銅襯套周圍的腐蝕坑數(shù)量詳表4。

由表2和表3可以看出，“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)涂層（除銅襯套附近區(qū)域）的光澤和色差在試驗前期變化大，試驗后期變化小。光澤度由第1周期35.64降低到第10周期的7.62。色變值變化相對較小，整個試驗過程中未出現(xiàn)涂層的粉化、脫落和開裂現(xiàn)象。經(jīng)過10個周期的試驗，涂層的綜合評級小于3級， 符合結(jié)構(gòu)涂層的正常老化發(fā)展規(guī)律。銅襯套附近區(qū)域腐蝕相對嚴(yán)重，在第2周期試驗后，防護涂層綜合評級大于5級，涂層出現(xiàn)了脫落、開裂和粉化現(xiàn)象。試驗到第3周期，銅襯套附近鋁合金基材就出現(xiàn)了蝕坑。到第7周期，試驗件腐蝕坑數(shù)量達到了11處之多。隨后各蝕坑隨著腐蝕擴展，數(shù)量有所減少，但腐蝕面積增大，腐蝕程度加重，說明典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)異種金屬連接部位電偶腐蝕敏感性高，易腐蝕，需要加強日常維護，才能降低腐蝕破壞概率。腐蝕加速試驗到第10個周期，試驗件的鋁合金試板發(fā)生了腐蝕疲勞斷裂，其中在第8周期，腐蝕疲勞裂紋就以典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)銅襯套周圍鋁合金基體腐蝕坑為起點，沿著微裂紋往前擴展，試驗件腐蝕情況詳見圖5 b。隨著實驗室加速腐蝕試驗的進一步開展，腐蝕介質(zhì)進一步作用鋁合金基體裂紋尖端部位，腐蝕裂紋尖端，在腐蝕介質(zhì)和疲勞載荷的耦合作用下，試驗件的鋁合金基體出現(xiàn)了腐蝕疲勞斷裂，斷裂照片見圖5 d。

表2 第1—10周期試驗件涂層光澤值 Tab.2 Coating gloss value of the test piece from the 1st cycle to the 10th cycle

表3 第1—10周期試驗件涂層光澤值色差值 Tab.3 Color difference of the coating gloss value of the test piece from the 1st cycle to the 10th cycle

表4 第1—10周期試驗件銅襯套周圍的腐蝕坑數(shù)量 Tab.4 Number of etch pits around the copper bushing of the test piece from the 1st cycle to the 10th cycle

圖5 試驗件的腐蝕疲勞斷裂 Fig.5 Corrosion fatigue fracture diagram of test piece: a) pitting formation; b) crack propagation; c) corrosion fatigue fracture; d) fracture of test piece

2.2 試驗結(jié)果分析

針對典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件的腐蝕疲勞斷裂情況，采用掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS），開展結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞部位斷口腐蝕形貌、腐蝕產(chǎn)物分析，在顯微鏡下觀察樣品的斷口形貌，包括腐蝕產(chǎn)物、裂紋、斷裂模式等。將斷裂的樣品按照圖6方式切割，用金剛石慢速切割機從圖6中虛線方框的位置切割樣品，將平行面拋光至1 μm。通過掃描電鏡（SEM，德國Zeiss EVO 10）分析平行面的形貌、腐蝕產(chǎn)物的成分，用能譜（EDS）半定量分析元素含量。利用SEM的背散射功能觀察元素分布，二次電子功能觀察形貌。

通過掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析，典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)試驗件在開展實驗室加速腐蝕試驗過程中，由于銅襯套上面的密封膠不斷脫落（從第2周開始脫落），導(dǎo)致腐蝕環(huán)境介質(zhì)進入到銅襯套與鋁合金和鈦合金之間的縫隙，形成電偶腐蝕，從而試驗件銅襯套周圍的鋁合金基材受到電偶腐蝕和疲勞載荷的雙重作用，導(dǎo)致鋁合金防護涂層破壞，進而腐蝕鋁合金基體，致使銅襯套孔周邊的鋁合金出現(xiàn)碎片狀脫落，其形貌如圖7a所示。這是鋁合金材料經(jīng)過“濕熱→疲勞→鹽霧→濕熱……”的腐蝕加速循環(huán)試驗形成腐蝕碎片不斷累積產(chǎn)生的現(xiàn)象。檢測鋁合金腐蝕疲勞斷口，為新鮮的鋁合金斷裂面，且比較整齊，屬于脆性斷裂典型特征?？拷~襯套孔的斷口部位，有一些白色的腐蝕產(chǎn)物，說明試驗件的鋁合金基材腐蝕形成腐蝕坑后，在疲勞載荷的作用下，在腐蝕坑周邊產(chǎn)生了一些微裂紋，從而導(dǎo)致試驗過程中鹽霧進入微裂紋。腐蝕介質(zhì)沿著裂紋進入基材內(nèi)部，腐蝕鋁合金基材，斷口的形貌如圖7 b所示。通過掃描電鏡（SEM）分析（見圖8），在距離銅襯套孔較遠(yuǎn) 的斷口，腐蝕疲勞斷口比較整齊，說明在試驗件腐蝕疲勞斷裂前，鋁合金材料發(fā)生了脆斷。同時對靠近銅襯套孔的斷面進行分析，將圖片放大到2 000×倍，可以看到斷口有一些顏色比較淺的顆粒。經(jīng)過EDS分析證明，這些顆粒主要成分是CuFe合金（見圖9）。這些CuFe合金顆粒是在熔煉鋁合金時作為原料添 加進去而沒有形成鋁合金的殘留顆粒，試驗件鋁合金材料受到腐蝕介質(zhì)作用形成腐蝕坑后，鋁合金內(nèi)部分基材暴露在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中。當(dāng)CuFe合金遇到腐蝕介質(zhì)，發(fā)生微型電化學(xué)反應(yīng)，在載荷的作用下，成為裂紋的發(fā)源地，進而導(dǎo)致試驗件發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

圖6 典型“鈦–鋁”雙耳兩層結(jié)構(gòu)試驗件斷口分析取樣方式 Fig.6 Fracture analysis and sampling method of typical “titanium-aluminum” double-lug two-layer structure test piece: a) fracture state of test piece; b) fracture cutting of test piece

圖7 試驗件中心孔腐蝕狀態(tài)分析 Fig.7 Analysis diagram of the corrosion state of the center hole of the test piece: a) corrosion state of central hole of test piece; b) optical photos of fracture morphology

圖8 試驗件中心孔應(yīng)力平行面的背散射SEM形貌 Fig.8 Backscattered SEM image of the stress parallel surface of the center hole of the test piece

圖9 鋁合金斷口淺色顆粒的EDS分析 Fig.9 EDS analysis of light-colored particles in the fracture of aluminum alloy

通過實驗室模擬加速環(huán)境試驗，發(fā)現(xiàn)了典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)——與銅襯套、鈦合金和鋁合金連接區(qū)域。當(dāng)銅襯套的防護措施被破壞后（緩蝕劑失效和密封隔離措施破壞），腐蝕介質(zhì)通過縫隙進入銅襯套與鋁合金縫隙，形成微型原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，并形成腐蝕裂紋源，在疲勞載荷作用下，發(fā)展形成腐蝕疲勞微裂紋，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞斷裂。為了預(yù)防電偶腐蝕以及進一步的疲勞斷裂等失效的發(fā)生，從理論上分析，應(yīng)定期做緩蝕防護和日常清洗等工作。采用緩蝕劑防護能置換試驗件結(jié)構(gòu)表面的水分，阻斷腐蝕介質(zhì)進入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過定期清洗，及時清洗試驗件表面的腐蝕介質(zhì)，減少“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)異種金屬連接部位與腐蝕介質(zhì)的接觸機會，降低結(jié)構(gòu)電偶腐蝕破壞概率，從而提高典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，本文研究內(nèi)容對典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)的腐蝕防護設(shè)計與應(yīng)用有重要意義。

3 結(jié)論

通過腐蝕環(huán)境下典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片腐蝕防護性能研究，得到以下結(jié)論。

1）典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)其他區(qū)域（除銅襯套附近區(qū)域）防護性能滿足10個周期的防護要求。

2）通過實驗室模擬加速環(huán)境試驗，發(fā)現(xiàn)了典型“鈦–鋁”復(fù)合耳片結(jié)構(gòu)腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)——與銅襯套、鈦合金和鋁合金連接區(qū)域，為了預(yù)防電偶腐蝕以及進一步的疲勞斷裂等失效的發(fā)生，采取緩蝕劑防護和日常清洗等腐蝕維護和保養(yǎng)措施會更好。