鋁鋰合金加速腐蝕損傷概率分布規(guī)律研究

劉治國，葉彬，穆志韜

（1.海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266041；2.洪都航空工業(yè)集團(tuán)650所，南昌 330024）

1420 鋁鋰合金是一種高性能材料，它具有密度?。?.47 g/cm3）、彈性模量高（76 000 MPa）的特點(diǎn)，代替常規(guī)的鋁合金，可使構(gòu)件質(zhì)量降低10%～15%，剛度提高15%～20%。1420 鋁鋰合金已具有20 多年實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，是目前工程應(yīng)用最廣泛的鋁鋰合金[1—2]，多應(yīng)用于航空航天及導(dǎo)彈武器等領(lǐng)域，美國和俄羅斯的飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量采用了該合金材料[3—4]。

1420 鋁鋰合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，隨著飛機(jī)服役年限的增加，在環(huán)境中的腐蝕問題也日益凸顯出來。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的使用壽命通常取決于構(gòu)件的最大腐蝕深度，因而研究1420鋁鋰合金的腐蝕深度分布類型及發(fā)展規(guī)律，對(duì)于確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命或日歷壽命顯得尤為重要。以腐蝕深度為基礎(chǔ)依據(jù)，制定飛機(jī)鋁鋰合金結(jié)構(gòu)相應(yīng)的腐蝕容限或?qū)嵤└g控制、制定修理周期。由于用EXCO 溶液浸泡能夠較好地再現(xiàn)鋁鋰合金于實(shí)際環(huán)境中的腐蝕損傷形式[5]，故選用EXCO溶液對(duì)1420鋁鋰合金的腐蝕行為進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

試件采用1420 鋁鋰合金板材加工，尺寸為60 mm×40 mm×2 mm。其成分、加工和熱處理狀態(tài)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的材料一致，原始試件圖片及金相微觀圖片如圖1所示。試驗(yàn)前需對(duì)試件進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理[6]，試驗(yàn)溶液為標(biāo)準(zhǔn)的 EXCO 溶液[5]，每隔48 h更換1次。試驗(yàn)過程參照HB 5455—90進(jìn)行，每隔24 h取出1組試驗(yàn)件。試件取出后按一定程序進(jìn)行清洗并測量腐蝕深度[5]。

圖1 試件未腐蝕試驗(yàn)前的初始狀態(tài)和微觀照片F(xiàn)ig. 1 The initial status and microgram photo of pro-corrosion specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行了27 d。在第3天，試件表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕；之后至第12天的過程中，蝕坑逐漸加深，點(diǎn)蝕逐漸向剝蝕階段發(fā)展；12 d后，試件腐蝕發(fā)展為剝蝕階段，直至試驗(yàn)結(jié)束。試件金屬基體發(fā)展為嚴(yán)重的分層狀的剝蝕，部分階段的試件圖片及金相圖片如圖2所示。

在浸泡16 d后，試件發(fā)生了嚴(yán)重的剝蝕，難以準(zhǔn)確測量腐蝕深度數(shù)據(jù)，故本試驗(yàn)共測得了前16 d 的試件腐蝕深度數(shù)據(jù)，部分浸泡周期的腐蝕深度數(shù)據(jù)見表1—表3。

圖2 EXCO溶液浸泡試驗(yàn)后試件外觀、表面和金相斷口顯微照片F(xiàn)ig. 2 The appearance and surface and metallographic photo of specimen after corrosion

表1 浸泡3 d后的腐蝕深度測量數(shù)據(jù)Table 1 The corrosion depths of specimen after 3 days corrosion μm

3 腐蝕損傷深度分布規(guī)律研究

試件腐蝕坑發(fā)生的時(shí)間及發(fā)展速度存在較大的分散性，測量所得的腐蝕深度是一個(gè)隨機(jī)變量，因此，采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較適宜。以往研究表明[7—8]：鋁合金腐蝕深度的分布形式有正態(tài)分布、Gumbel（I型極大值）分布、Weibull分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。對(duì)上述分布函數(shù)采取適當(dāng)?shù)淖儞Q[8]，得到4種分布形式的分布函數(shù)，見表4。

表2 浸泡9 d后的腐蝕深度測量數(shù)據(jù)Table 2 The corrosion depths of specimen after 9 days corrosion μm

表3 浸泡16 d后的腐蝕深度測量數(shù)據(jù)Table 3 The corrosion depths of specimen after 16 days corrosion μm

將不同浸泡周期的腐蝕深度測量值按從小到大的次序排列，第1號(hào)數(shù)值為腐蝕深度最小測量值D1，第i 號(hào)的腐蝕深度測量值為Di，第i 號(hào)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)概率Pi用式（1）表示：

式中：i=1，2，3，…，N，N 為腐蝕深度測量值個(gè)數(shù)，在本試驗(yàn)中，N=40。首先假設(shè)腐蝕深度分別服從Gumbel、正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)和Weibull分布，然后分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的的數(shù)值，在對(duì)應(yīng)的概率坐標(biāo)圖中擬合并對(duì)各分布進(jìn)行檢驗(yàn)。

Pearson相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為：

在顯著水平α下，滿足假設(shè)分布的線性相關(guān)性臨界值由式（3）計(jì)算：

當(dāng)顯著性水平α=0.05 時(shí)，即置信水平1-α=0.95 時(shí)，計(jì)算可得腐蝕周期為 3～15 d 的 t0.0（538）=1.685，線性相關(guān)臨界值rc=0.263 8。同理可計(jì)算得出腐蝕周期為16 d 的線性相關(guān)臨界值rc=0.345 1。根據(jù)式（2）及表1—表3 腐蝕深度測量數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)果見表5。

從表5 可知，4 種分布形式的相關(guān)系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界線性相關(guān)系數(shù)。由此可見，1420 鋁鋰合金在EXCO 溶液中浸泡的腐蝕深度較好地服從了4 種分布。

同時(shí)，從表5 分析可見，在不同的腐蝕周期，腐蝕深度服從4種分布函數(shù)具有一定的優(yōu)劣性，如：浸泡3 d 腐蝕深度服從Gumbel 分布的相關(guān)系數(shù)為0.991，為4種分布形式相關(guān)系數(shù)中的最大值，因而浸泡3 d 腐蝕深度的最佳分布為Gumbel 分布；浸泡6 d和9 d的最佳分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布；浸泡12 d和16 d的最佳分布為正態(tài)分布。

表5 分布形式的相關(guān)系數(shù)Table 5 The correlated coefficient of different probability distribution

另將表1—表3中的腐蝕深度測量數(shù)據(jù)代入表4中的線性方程，則可得到不同分布的線性回歸方程，計(jì)算結(jié)果見表6。 同時(shí)根據(jù)最小二乘法，則可得到不同分布的線性回歸方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差：具體計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6 可見，不同分布形式的擬合線性方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差也能夠體現(xiàn)不同周期、不同分布函數(shù)的優(yōu)劣性，如在腐蝕浸泡周期為3 d時(shí)，其Gumbel分布形式的擬合線性方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.152 5，在4種分布函數(shù)中最小，說明浸泡周期為3 d時(shí)腐蝕深度的最佳分布為Gumbel分布。此結(jié)論與表5中相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果相同，其他周期腐蝕深度分析結(jié)果也與表5中分析結(jié)果相同，說明文中分析結(jié)果有效。

4 腐蝕深度動(dòng)力學(xué)規(guī)律研究

將不同腐蝕周期的腐蝕深度數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)，得到1420鋁鋰合金EXCO溶液浸泡加速腐蝕深度隨腐蝕周期變化規(guī)律圖，如圖3 所示。由圖3 可見，腐蝕深度變化存在明顯分段現(xiàn)象，即在浸泡初期（3～12 d），腐蝕深度發(fā)展較慢；12 d 后，腐蝕深度增速明顯加快。

基于腐蝕深度的上述變化規(guī)律，遵循“分段建?！盵9]原則采用分段函數(shù)來建立腐蝕動(dòng)力學(xué)方程，分段節(jié)點(diǎn)為浸泡12 d。基于上述分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)變換得到不同腐蝕周期腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為：

1）當(dāng)3 d≤t＜12 d時(shí)，t與D呈線性關(guān)系，利用最小二乘法擬合可以得到腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為：

D=-3 507.16+304.68 t

表6 分布檢驗(yàn)及線性方程Table 6 The results of probability distribution inspection and linear equation

2）當(dāng) 12 d≤t≤16 d 時(shí)，t 與 D 也呈線性關(guān)系，同樣利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可以得到腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為：

D=45.38+13.67 t

5 結(jié)論

從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看，腐蝕3 d，鋁鋰合金腐蝕深度最優(yōu)分布為Gumbel分布；腐蝕6 d和9 d，腐蝕深度最優(yōu)分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布；腐蝕12 d和16 d，腐蝕深度最優(yōu)分布為正態(tài)分布。

圖3 1420鋁鋰合金腐蝕深度與腐蝕時(shí)間關(guān)系Fig. 3 The kinetics law of aluminium-lithium alloy in EXCO solution

在EXCO 溶液浸泡環(huán)境下，根據(jù)1420 鋁鋰合金的腐蝕形貌特征，可將其腐蝕過程歸納為2個(gè)階段。

1）點(diǎn)蝕階段：腐蝕處于初始階段，腐蝕深度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而增加，其特征為蝕坑（腐蝕試驗(yàn)的第3天至第12天），并向剝蝕階段過渡。

2）剝蝕階段：腐蝕處于快速增長階段，腐蝕深度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而迅速增加，呈現(xiàn)出明顯的剝蝕特征（在腐蝕試驗(yàn)的第12天之后），在晶間腐蝕較嚴(yán)重部位呈現(xiàn)出輕微的剝蝕，試驗(yàn)到第16 天以后，晶間腐蝕嚴(yán)重部位轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的剝蝕，浸泡試驗(yàn)到第23天，剝蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，金屬基體被完全腐蝕。

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