2024鋁合金鹽霧腐蝕評估及腐蝕形貌分析

李云濤，李曉寧，包俊成，周世杰

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津300384）

2024鋁合金鹽霧腐蝕評估及腐蝕形貌分析

李云濤1，2，李曉寧1，包俊成1，2，周世杰1

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津300384）

采用鹽霧試驗研究了2024鋁合金在環(huán)境相對濕度、介質(zhì)濃度、環(huán)境溫度三因素影響下的腐蝕行為。極差分析結(jié)果表明，相對濕度對2024鋁合金的腐蝕程度影響最大，尤其對腐蝕坑深具有顯著影響；對處于84%、90%、100%三種不同相對濕度腐蝕環(huán)境中的試樣，運用模糊綜合評判法，確定其腐蝕等級依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級腐蝕；金相顯微分析發(fā)現(xiàn)，2024鋁合金的腐蝕類型主要是晶間腐蝕，且隨著相對濕度的增加，腐蝕程度逐漸增加。

2024鋁合金；極差分析；模糊綜合評判；腐蝕形貌

2024鋁合金作為一種高強度硬鋁，被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、交通等行業(yè)［1］。但由于其對腐蝕環(huán)境的敏感性，使其易發(fā)生局部腐蝕［2-3］，從而對構(gòu)件的使用安全性產(chǎn)生極大的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者對2024鋁合金的腐蝕機理及腐蝕形式有了較多的研究。王彬彬等［4］利用4 a的現(xiàn)場大氣暴露試驗，研究了我國西部鹽湖大氣環(huán)境的局部腐蝕行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境中Cl-含量的升高，鋁合金的開路電位降低，導(dǎo)致其耐蝕性變差。鄭棄非、孫霜青等［5-6］運用灰色關(guān)聯(lián)方法研究了污染物和氣象因素對鋁合金的腐蝕速率的影響，在研究中提出最低溫度和平均濕度是氣象因素中影響腐蝕速率的最大影響因素。但在眾多的研究中，定性確定鋁合金腐蝕程度方面的報道相對較少，一般大多依靠工程師的現(xiàn)場經(jīng)驗［7-8］。確定鋁合金在相應(yīng)的腐蝕環(huán)境中的耐蝕性及其在腐蝕環(huán)境中的腐蝕程度成為了人們研究的重點。

本工作采用濕熱鹽霧試驗?zāi)M了不同腐蝕環(huán)境，通過對不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析，研究2024鋁合金在相應(yīng)環(huán)境中的腐蝕規(guī)律，并定量評定其腐蝕程度，為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為熱軋狀態(tài)的無包鋁層2024鋁合金。腐蝕前對試樣進行固溶和時效處理，固溶溫度495℃，然后進行96 h時效處理，其抗位強度級別為460～490 MPa。其主要化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）：Cu 4.62，Mg 1.65，Mn 0.8，Si 0.21，F(xiàn)e 0.26，Ti 0.06，Zn 0.16，Ni 0.06。熱處理后的晶粒組織見圖1。腐蝕試樣尺寸為50 mm×25 mm×6 mm，表面為機械加工狀態(tài)，粗糙度為3.2μm。

圖1 未腐蝕前2024鋁合金的金相組織Fig.1 The microstructure of 2024 aluminum alloy before corrosion

1.2 試驗過程

將54塊2024鋁合金試樣分成三組，清洗、烘干后，用電子天秤稱量，然后放在GDS-100型高低溫濕熱試驗箱內(nèi)，模擬不同腐蝕環(huán)境中進行腐蝕試驗。標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液X為：5%NaCl+0.8%Na2S2O8+ 0.05%NaNO3，pH調(diào)節(jié)在4～5。腐蝕環(huán)境中的5X、10X、20X表示為標(biāo)準(zhǔn)腐蝕液濃度（c）的5、10、20倍。待腐蝕結(jié)束后，取出試樣，除去表面腐蝕殘留，清洗、烘干后稱量。在每塊試樣的相同位置，選取10處，用DPG-1型腐蝕坑深度測量儀測量腐蝕坑深度，并求其平均值，作為相應(yīng)腐蝕環(huán)境中的腐蝕坑深度。不同腐蝕環(huán)境組合的設(shè)計和相應(yīng)環(huán)境中腐蝕測量結(jié)果見表1。在每塊試樣的相同位置取大小為5 mm×5 mm×2 mm的試樣，封樣，打磨，用奧林巴斯BX51M型光學(xué)顯微鏡和JSM-6700F型掃描電鏡觀測試樣表面的微觀腐蝕形貌。

2 腐蝕影響因素極差分析

本次研究中，主要探討相對濕度（RH）、腐蝕液質(zhì)量濃度（c）、環(huán)境溫度（T）對2024鋁合金腐蝕程度的影響。每一影響因素設(shè)置3個影響水平。選定兩種評定腐蝕程度的指標(biāo)：腐蝕前后的質(zhì)量損失率（△m/m0）和腐蝕坑深度（H）。利用極差分析法來確定各影響因素對腐蝕指標(biāo)的影響水平，為之后模糊權(quán)重矩陣的建立提供依據(jù)。

表1 腐蝕環(huán)境設(shè)計及相應(yīng)試驗結(jié)果Tab.1 The design of corrosion environments and the results of the experiments

利用公式（1）～（3）［9］計算不同影響因素的極值，三因素對質(zhì)量損失率的影響計算結(jié)果如表2所示，對腐蝕坑深的影響計算結(jié)果如表3所示。由表2和3可確定，這三個影響因素中，相對濕度對腐蝕結(jié)果測量的影響最大。在對質(zhì)量損失率中，腐蝕液質(zhì)量濃度對結(jié)果的影響作用大于溫度對結(jié)果的影響，但在對腐蝕坑深中，兩因素的影響程度基本相同。

式中：Kij為第j列因素i水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和；xij為第j列因素i水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)值；為第j列因素i水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和的平均值；m為第j列因素i水平試驗次數(shù)；Rj為第j列因素的極差。

因此在實際生產(chǎn)工作中，應(yīng)盡量降低2024鋁合金構(gòu)件服役環(huán)境的相對濕度，尤其是一些有密閉性要求的裝置中，更應(yīng)該注意防范因濕度的增加而造成腐蝕坑深的急劇增加，從而對裝置的密閉性造成破壞。

表2 三因素對質(zhì)量損失率的極差分析Tab.2 The mass lose range analysis influenced by the three factors

表3 三因素對腐蝕坑深的極差分析Tab.3 The pit depth range analysis influenced by the three factors

3 腐蝕程度評定

對2024鋁合金腐蝕程度進行定量的評價是確定其在相應(yīng)腐蝕環(huán)境中安全使用的前提。由于腐蝕受多種因素的影響，腐蝕程度的確定存在不確定性。模糊綜合評判法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價［10］。故本工作采用模糊綜合評判法對腐蝕試樣進行腐蝕程度的評估。由極差分析可知，相對濕度對2024鋁合金的腐蝕程度影響最大，結(jié)合本工作的特點，此處只對處于三種不同相對濕度下的腐蝕試樣進行模糊綜合評判。

模糊綜合評價主要由：指標(biāo)集X=｛x1，x2，…Xn｝；評價集V=｛v1，v2，…vn｝；權(quán)重集W=｛w1，w2，…wn｝；及模糊關(guān)系矩陣R構(gòu)成［10-11］。

3.1 建立指標(biāo)集

總結(jié)影響本次試驗評定腐蝕程度的主要因素為：相對濕度（x1）、腐蝕液濃度（x2）、溫度（x3）、腐蝕坑深（x4）、質(zhì)量損失率（x5）。則建立指標(biāo)集X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝=｛相對濕度，腐蝕液質(zhì)量濃度，溫度，腐蝕坑深，質(zhì)量損失率｝。

3.2 建立評價集

結(jié)合腐蝕程度的不確定性，將腐蝕程度的評價因素設(shè)定為：｛輕微腐蝕、一般腐蝕、較重腐蝕、嚴(yán)重腐蝕、銹損｝，見表4。

表4 因素狀態(tài)分級評價表Tab.4 Classification of various factors

3.3 確定權(quán)重集

采用0.1～0.9標(biāo)度［11-12］，建立優(yōu)先判斷矩陣，并將優(yōu)先判斷矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣，利用排序法［14］計算出權(quán)重集W=［0.205 0 0.170 0 0.160 00.220 0 0.245 0］，即本次試驗中，影響2024鋁合金腐蝕程度因素的權(quán)重排序為：質(zhì)量損失率，腐蝕坑深，相對濕度，腐蝕液濃度，溫度。

3.4 模糊關(guān)系矩陣R

通過試驗測定三種腐蝕環(huán)境中的指標(biāo)因素，根據(jù)因素狀態(tài)分級評價表，確定在三種腐蝕環(huán)境中的模糊關(guān)系矩陣R。本工作所選擇的五種指標(biāo)均為正向指標(biāo)［14-15］，則利用梯形分布公式［16］，確定相應(yīng)指標(biāo)的隸屬度。

RH=84%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

RH=90%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

RH=100%環(huán)境中的隸屬度矩陣為：

3.5 模糊綜合評判

權(quán)重向量W與隸屬度矩陣R做模糊變換［17］，既為此次模糊綜合評判的結(jié)果，即：

根據(jù)最大隸屬度原則，確定相應(yīng)環(huán)境中的評判結(jié)果。即在RH=84%腐蝕環(huán)境下，試樣為Ⅱ級腐蝕，在RH=90%腐蝕環(huán)境中為Ⅲ級腐蝕，在RH= 100%腐蝕環(huán)境下為Ⅳ級腐蝕。

4 腐蝕形貌分析

通過金相照片比對，在圖2（a）中偶爾出現(xiàn)腐蝕活性點，點蝕出現(xiàn)，晶間腐蝕明顯。隨著相對濕度的增加，試樣表面粗糙度增加，當(dāng)濕度達到100%時，顏色較深的腐蝕斑相互交聯(lián)，腐蝕面積增大，表面粗糙度繼續(xù)惡化。

通過SEM觀察，腐蝕區(qū)域零星分布，呈圓形或橢圓形，試樣表面出現(xiàn)龜裂紋，偶有白色腐蝕產(chǎn)物的堆積，隨著濕度的增加，裂紋繼續(xù)向深度和寬度方向發(fā)展。腐蝕產(chǎn)物大而疏松，堆積厚度增加，局部有塊狀脫落。從圖中觀察發(fā)現(xiàn)其腐蝕類型主要為沿晶腐蝕，偶有穿晶腐蝕裂紋的出現(xiàn)。這是由于時效處理后，Cu Al2在晶間沉淀析出，導(dǎo)致晶界貧銅區(qū)的產(chǎn)生，貧銅區(qū)的腐蝕電位較周圍基體的電位低［18-20］，腐蝕速率較大，導(dǎo)致沿晶腐蝕的發(fā)生。晶界處腐蝕產(chǎn)物的堆積，產(chǎn)生“楔入效應(yīng)”［21］，使得沿晶裂紋的繼續(xù)擴大，最終發(fā)展為剝蝕。

圖2 鋁合金試樣在腐蝕環(huán)境T=50℃，c=20X時不同濕度下的表面金相照片F(xiàn)ig.2 The corrosion morphology of aluminum alloy in environments T=50℃，c=20X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

圖3 鋁合金試樣在腐蝕環(huán)境T=50℃，c=20X時不同濕度下的表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM morphology of 2024 aluminum alloy in environments T=50℃，c=20 X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

5 結(jié)論

（1）在相對濕度、腐蝕液質(zhì)量濃度、溫度三個影響因素中，相對濕度對2024鋁合金腐蝕程度的影響最大，尤其是對腐蝕坑深度有顯著性的影響。

（2）對處于腐蝕液質(zhì)量濃度20X、溫度50℃、相對濕度依次為84%、90%、100%環(huán)境中的三組腐蝕試樣進行模糊綜合評判，確定其腐蝕等級依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級腐蝕。

（3）2024鋁合金在本次試驗環(huán)境中的腐蝕方式主要以晶間腐蝕為主，偶有穿晶腐蝕。隨著腐蝕環(huán)境的惡化，腐蝕程度逐漸增加。

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Corrosion Evaluation and Morphology Analysis of 2024 Aluminum Alloy in Salt Spray

LI Yun-tao1，2，LI Xiao-ning1，BAO Jun-cheng1，2，ZHOU Shi-jie1
（1.College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin Key Laboratory for Photoelectric Materials Devices，Tianjin 300384，China）

The corrosion behaviors of 2024 aluminum alloy under the influence of relative humidity，concentration and temperature were studied in salt spray.Range analysis revealed that the relative humidity had the greatest influence on the corrosion of 2024 aluminum alloy.The relative humidity had a significant influence on the depth of corrosion pit，especially.The fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate the corrosion degree of the alloy in environments with 84%，90%，100%relative humidity，respectively.The corrosion degrees of the three alloys wereⅡ，Ⅲ，Ⅳ，respectively.Metallographic analysis was used to analyze the surface of the alloy.It showed that the main corrosion type of the alloy was intergranular corrosion.With the increase of the relative humidity，the corrosion degree increased gradually.

2024 aluminum alloy；range analysis；fuzzy comprehensive evaluation；corrosion morphology

TG172.5

A

1005-748X（2015）09-0864-05

10.11973/fsyfh-201509

2014-09-25

包俊成（1965-），教授，碩士，從事金屬材料微合金化及其力學(xué)性能表征、失效分析等教學(xué)和研究工作，18622216953，liyuntao_vip＠126.com