高強鋁合金海洋大氣環境剝層腐蝕研究

蘇艷，李凌杰，舒暢，吳龍益，朱玉琴

（1.重慶大學 化學化工學院，重慶 400039；2.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；3.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

高強鋁合金材料具有密度小、比強度高等優點，廣泛應用于航空航天產品主承力結構，在戰機主體結構中占有重要地位，如大梁、桁條、起落架、框和蒙皮等。Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金是高強鋁合金最主要的系列，其中7B04鋁合金是該系列中較典型的鋁合金材料。7B04 鋁合金是在7A04 鋁合金基礎上改進的一種較新型高純高強鋁合金，與美國的7075鋁合金相似[1]。目前，對于高強鋁合金的腐蝕行為研究主要局限于鹽霧試驗、3.5%（質量分數，下同）NaCl溶液浸泡和周期浸潤腐蝕試驗等模擬加速試驗[2]，而高強鋁合金海洋大氣環境腐蝕行為研究的報道較少，針對7B04 鋁合金等較新型鋁合金的研究更少。筆者通過7B04鋁合金海洋大氣環境暴露試驗，研究其微觀/宏觀腐蝕行為，揭示其腐蝕機理。

1 試驗

試驗材料為7B04-T6 鋁合金板材，化學成分見表1。試樣類型分為平板（100 mm×50 mm×6.5 mm）和拉伸兩類。

表1 7B04鋁合金成分及其質量分數Table 1 Chemical composition of 7B04 Aluminum alloys%

利用海南試驗站海洋平臺戶外大氣暴露和棚下大氣暴露試驗，試驗方法參照GB/T 14165-2008《金屬和合金 大氣腐蝕試驗 現場試驗的一般要求》執行。戶外暴露，將試驗樣品受試面朝南、與水平面成45°角安裝于試樣架上。棚下暴露，將試驗樣品垂直懸掛于試樣架上。試驗過程中定期取樣觀察宏觀腐蝕形貌，測量腐蝕失重；將試樣垂直剖開，拋光斷面，使用金相顯微鏡觀察微觀腐蝕形態。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀和微觀腐蝕特征

7B04 鋁合金宏觀腐蝕形貌表現為點蝕/白霜—表層鼓泡—層狀剝離演變的過程，如圖1 所示。7B04鋁合金海洋大氣環境暴露8 d，表面即出現少量點蝕，之后腐蝕深度和廣度迅速漫延；暴露4 個月，部分試樣表面出現肉眼可視的鼓泡現象；暴露2 a，發展為嚴重的剝層腐蝕，腐蝕不僅影響表層，而且深入基體內部，有效橫截面積減小。從整體看，棚下暴露比戶外暴露腐蝕嚴重，試樣反面比暴露面腐蝕嚴重，如圖2 所示。萬寧試驗站屬于高日輻射、高溫、高濕、高鹽霧的海洋大氣環境，由于太陽輻射強，樣品表面的水蒸發得快，相對干燥；棚下暴露時，由于空氣的平均相對濕度高達86%大于鋁的臨界相對濕度（約為65%），樣品表面易于形成厚度在微米級的連續水膜，導致腐蝕更加嚴重。

圖1 7B04鋁合金棚下曝露不同時間的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of 7B04 aluminum alloy exposed under shelter for different time

圖2 7B04鋁合金戶外曝露正反面腐蝕形貌對比Fig.2 Obverse vs.inverse corrosion morphology of 7B04 alumi num alloy exposed outdoor

定期取樣，選取腐蝕較嚴重的部位，沿試板橫邊垂直剖開并拋光斷面，利用金相顯微鏡觀察腐蝕截面。圖3為7B04鋁合金海洋平臺戶外暴露不同時間的腐蝕截面金相顯微照片。7B04 鋁合金暴露在含Cl-的大氣環境中，表面很快出現點蝕，隨著蝕坑的增大，在蝕坑的底部逐漸產生裂紋。暴露1 a，金屬基體內部出現明顯的沿晶界網狀裂紋，并沿著與基體表面平行的晶界方向延伸，肉眼可見宏觀的剝層腐蝕現象；暴露1.5 a，沿晶網狀裂紋向基體內部不斷延伸；暴露2.5 a，最大腐蝕深度達到毫米級。

圖3 7B04鋁合金海洋平臺戶外曝露不同時間的金相顯微照片Fig. 3 Micrographs of 7B04 aluminum alloy exposed outdoor for different time

2.2 腐蝕機理

7B04鋁合金在海洋大氣環境中的腐蝕從點蝕開始，逐步發展為晶間腐蝕，并在內應力的協同作用下產生層狀開裂與剝落，這主要源于其軋制過程中拉長的晶粒以及晶界電偶腐蝕造成的腐蝕通道[3—5]。7B04鋁合金經過T6峰值時效處理，由于最大密度的基體沉淀相析出，其拉伸強度在600 MPa以上，其沉淀相的形態和分布決定了晶間腐蝕敏感性程度。從圖3 a 可以看出，7B04 鋁合金的強化相平行表面呈扁平狀，具有較高的晶間腐蝕敏感性[6]。目前，公認的鋁合金晶間腐蝕機理為陽極性的晶界構成物（溶質貧化區/沉淀相）與晶格本體的腐蝕電位差異形成電偶腐蝕，進而導致晶間腐蝕[3]。7B04 鋁合金屬于鋁-鎂-鋅系鋁合金，與硬鋁相比，鎂量增加而銅量減少，由于加入了鋅主要析出強化相為η相（MgZn2）。由表2可知，在3.5%NaCl溶液中，η相的電位明顯低于7B04 鋁合金基體，因此作為陽極優先溶解，形成平行于表面的活性陽極通道。當晶間腐蝕持續進行時，A（lOH）3或Al2O3等不溶性腐蝕產物的體積大于所消耗的金屬體積，從而產生“楔入效應”，撐起沒有腐蝕的金屬，引起分層剝落。

表2 7B04鋁合金及其主要析出相在NaCl溶液中的電位[7—8]Table 2 Potential of 7B04 aluminum alloy and its precipitated phases in NaCl solution

2.3 腐蝕對7B04鋁合金力學性能的影響

7B04 鋁合金的剝層腐蝕對其力學性能影響較大。暴露2 a，拉伸試樣有效截面尺寸明顯減少，個別拉伸試樣平行段厚度從6.30 mm 減至4.46 mm，導致承載的拉力急劇降低，斷裂拉力從原始的76.36 kN 降至25.60 kN。圖4 反映了7B04 鋁合金拉伸強度、斷后伸長率隨暴露時間的變化趨勢。可以看出，7B04鋁合金的力學性能隨暴露時間變化劇烈，暴露6 個月，拉伸強度下降幅度達到14.4%，斷后伸長率下降80%，材料塑性急劇降低，此后趨于平衡；暴露12 個月，拉伸強度下降33.4%。試驗過程中發現，7B04鋁合金試樣剝層腐蝕程度具有較大分散性，剝層腐蝕程度嚴重的試樣，已基本喪失力學性能，而另一部分試樣只表現為表面點蝕，拉伸強度保持率達到87%。

圖4 7B04鋁合金力學性能隨試驗時間的變化曲線Fig.4 Changing curve of mechanical property of 7B04 aluminum alloy with exposure time

3 結論

1）7B04 鋁合金經過T6 峰值時效處理后，強化相平行表面呈扁平狀，具有較高的晶間腐蝕敏感性。

2）7B04 鋁合金在海洋大氣環境中表現為典型的剝層腐蝕特征，腐蝕過程遵循點蝕—晶間腐蝕—剝層腐蝕的規律。拉長的晶粒和沿晶界析出的η相優化溶解造成的腐蝕通道是導致7B04 鋁合金層狀剝離的主要原因。

3）剝層腐蝕對7B04 鋁合金的力學性能產生較大的影響，拉伸強度和斷后伸長率隨試驗時間的延長快速下降。2 a后，拉伸試樣厚度平均損失約2 ㎜，部分試樣拉伸強度保持率低于50%，已不能滿足使用要求。

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