航空鋁合金點蝕行為微觀結構影響因素分析

劉治國，李旭東，穆志韜

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航空鋁合金點蝕行為微觀結構影響因素分析

劉治國，李旭東，穆志韜

（海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041）

目的為進一步深入理解鋁合金點蝕行為提供理論支持，確定影響鋁合金點蝕行為的微觀結構因素。方法將鋁合金材料于服役環境的點蝕行為視為受眾多因素影響的隨機過程，基于點蝕電化學腐蝕機理和常體積擴展模型，對影響鋁合金點蝕行為因素進行定性和統計分析。結果從鋁合金點蝕擴展模型可以看出，影響鋁合金點蝕的微觀結構因素包括鋁合金材料微觀組成粒子的尺寸、粒子密度以及微觀組成粒子元素的類型。結論鋁合金微觀粒子尺寸和粒子密度都具有統計特性，可以采用相關分布函數對其分布特性進行統計分析，Cu和Fe粒子對鋁合金點蝕行為影響較大。

航空鋁合金；點蝕；影響因素；微觀結構

飛機鋁合金結構在服役過程中發生點蝕，大量的試驗和相關理論研究表明，鋁合金服役環境下的點蝕行為本質上是受多種因素影響的隨機過程，若不加以處理和控制，點蝕易轉化為均勻腐蝕或剝蝕等嚴重損傷[1—3]。因而，點蝕行為相關研究對飛機鋁合金結構腐蝕防護與控制研究相當重要，是該領域研究中基礎性、理論性內容。

為深入理解鋁合金點蝕行為，國內外學者和機構對點蝕行為及其影響因素開展了相關研究。就其影響因素研究方面而言，目前的研究主要集中在外部載荷和服役環境因素方面對鋁合金點蝕行為的影響[4—7]，涉及鋁合金本體微觀結構方面對其點蝕行為的影響分析較少，而鋁合金本體及其微觀結構是點蝕行為發生的載體，若忽略此方面的研究，勢必對鋁合金點蝕行為缺乏本質上的認識和理解，從而難以有效地對其加以防護與控制。因此，文中基于電化學腐蝕機理和常體積擴展模型，對航空鋁合金材料點蝕行為的微觀結構影響因素進行研究和探討，以便為后續飛機鋁合金結構腐蝕防護與控制研究提供理論支撐。

1 點蝕行為機理

為開展研究，首先需對航空鋁合金點蝕的行為機理進行分析，點蝕行為包括點蝕萌生和點蝕擴展兩方面。

1.1 點蝕萌生機理

鋁合金材料除了基體鋁元素外，還含有大量其他粒子元素。國內、外主要的航空鋁合金材料的結構成分詳見表1，其組成元素除Al元素外，還包括Cu，Fe等少量元素。相關研究表明，點蝕萌生是電化學腐蝕過程產物[8]，即在腐蝕環境下鋁離子逐漸溶解，點蝕萌生。LY12CZ試件點蝕萌生掃描電鏡圖像如圖1所示，從中可見，點蝕通常從微觀粒子處萌生。

表1 國內外主要航空鋁合金材料成分 %

圖1 LY12CZ試件點蝕萌生掃描電鏡微觀圖片

1.2 點蝕擴展模型

腐蝕環境下隨時間延續點蝕逐漸擴展。目前普遍的認識是鋁合金點蝕遵循法拉第定律、并按常體積變化率進行擴展，結合阿赫尼斯公式（Arrhenius），假設點蝕蝕坑形狀為半球型，則得到點蝕擴展模型為[9—10]：

(3)

(4)

式中：為點蝕蝕坑體積；為腐蝕周期；為原子量；P為電化學腐蝕過程中電流密度；Po為電化學腐蝕過程中電流密度常數；為化合價；為法拉第常數，=96514 C/mol；為材料密度；a表示活化能；為理想氣體常數；為絕對溫度；為點蝕蝕坑半徑。

2 點蝕行為微觀結構影響因素

由點蝕萌生機理和擴展模型分析可見，點蝕的發生、發展本質上是電化學過程，即腐蝕電流密度P要存在。文獻[10—13]研究認為，腐蝕電流密度P與參與點蝕的鋁合金微觀結構中粒子數量、表面積和元素類型有關。據此，需對點蝕擴展模型進行細化研究，以明確影響點蝕行為的具體微觀結構因素。

從微觀層面上分析，文獻[12]研究發現，航空鋁合金材料每平方毫米表面上有大約2000個粒子，因此可以認為點蝕的萌生和擴展是同時由多個微觀粒子電化學腐蝕產生，因而，點蝕擴展模型可以細化為：

(6)

式中：為半球體點蝕蝕坑的半徑；co為單位面積電流密度，與粒子元素類型有關。為參與點蝕的眾多粒子的平均半徑；為單位面積內參與點蝕的粒子平均數量，即粒子密度；為參與點蝕的粒子數量；為參與點蝕粒子數的總體表面積。

由上述建模過程可見，點蝕確實受微觀結構因素影響，在眾多粒子參與點蝕行為的過程中，典型的微觀結構影響因素為：鋁合金材料微觀組成粒子的尺寸（平均半徑）、粒子密度（單位面積內微觀組成粒子的平均數量）以及微觀組成粒子元素的類型。

3 微觀結構因素分析與討論

開展LY12CZ鋁合金10個相同（加工工藝、表面處理工藝相同）試件浸入3.5%Nacl溶液的腐蝕試驗，選取典型點蝕表面進行微觀結構因素影響分析。試驗前后典型試件表面微觀掃描電鏡圖片如圖2所示，從圖2中進一步印證了點蝕由多個微觀粒子萌生擴展。

圖2 試件點蝕前后微觀圖像

從圖2以及材料本體性質可知，微觀粒子平均半徑、單位面積內平均數量以及幾何形狀特征、空間位置等微觀結構因素，因試件不同而不同，即使是同一批次試件，每個試件的上述參數也都存在差異，由此造成不同試件在同樣腐蝕條件下的點蝕行為存在差異。因此，將上述微觀結構因素視為影響鋁合金點蝕行為的隨機變量，采用統計分析方法對其進行分析。

統計分析需要數據源，隨機選取某試件三維界面，如圖3所示。對其三個維度的表面微觀粒子進行觀測并統計，由統計數據對微觀結構因素的統計特性進行分析。從圖3中可見，三個表面的粒子數量、分布位置、間距等存在明顯不同。具體統計結果為：平面，每平方毫米有約1700個粒子，平面每平方毫米約有1000個粒子，平面每平方毫米約有2300個粒子。

圖3 試件三表面微觀圖像

式中：，，分別表示分布函數的形狀參數、范圍參數和位置參數。采用極大似然性估計方法對分布函數的參數進行估計，計算結果見表2。經檢驗，威布爾分布函數可較好地擬合粒子表面積數據。其中，形狀參數較小。由威布爾分布函數性質可知，這意味著粒子表面積分散性較大，如觀測到的最大粒子表面積達1500 μm2左右，而最小的粒子表面積為10 μm2左右，這一點由圖2也可印證。

表2 三個表面粒子表面積威布爾參數極大似然性估計結果

從圖3中可見，粒子常常以粒子束的形式聚集在一起，而由點蝕萌生和擴展機理可知，腐蝕電流的存在必須依賴粒子得以存在，因此對粒子數量而言，單位面積中粒子數量越多，則點蝕則越易萌生與擴展。文獻[14]對粒子數量統計分析，得出其分布函數可以表示為：

表3 三個表面粒子束擬合參數回歸計算結果

上述兩方面統計分析表明，影響鋁合金點蝕行為的微觀粒子尺寸和單位面積內的數量都具有統計特性，可以采用相關的分布函數對其分布特性進行統計分析。粒子的幾何形狀和分布位置，需采用立體微觀檢測手段進行檢測分析。

由表1中可見，鋁合金內含有多種元素成分，不同元素的粒子與鋁基體之間的腐蝕電流不同，因此元素類型同樣會影響鋁合金點蝕行為。相關研究表明[15]，在鋁合金的各型元素中，Cu和Fe粒子對鋁合金點蝕行為影響較大。因為這兩種類型的粒子對鋁而言是強陰極性元素，與鋁之間電位差較大，在腐蝕環境中，會極大地加速鋁合金點蝕萌生與擴展。試驗表明，當Cu元素的質量分數增加0.1%時，腐蝕環境下鋁合金點蝕速率提高1600多倍，因此上述兩種元素粒子在鋁合金中的含量必須根據需要嚴格控制。

4 結語

飛機鋁合金結構材料在服役環境下的點蝕行為受多種因素影響，文中基于點蝕電化學腐蝕機理和常體積擴展模型，明確了影響鋁合金點蝕行為的微觀結構因素。通過微觀檢測獲得的微觀粒子數據，對微觀粒子表面積和單位面積內粒子數量進行了統計分析，確定了兩型微觀結構因素的分布函數，并綜合相關文獻認為，Cu和Fe元素粒子對鋁合金點蝕行為影響較大。除上述因素外，微觀粒子的幾何形狀特征、空間位置、晶粒邊界等對微觀結構因素對鋁合金點蝕行為的影響，相信會隨著試驗檢測、分析水平的提高而越來越深入。

[1] MURER N, BUCHHEIT R G. Stochastic Modeling of Pitting Corrosion in Aluminum Alloys[J]. Corrosion Science, 2013(69) 139—148.

[2] ROKHLIN S I, KIM J Y, NAGY H, et al. Effect of Pitting Corrosion on Fatigue Crack Initiation and Fatigue Life[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1999(62): 425—444.

[3] SANKARAN K K, PEREZ R, JATA K V. Effects of Pitting Corrosion on the Fatigue Behavior of Aluminum Alloy 7075-T6: Modeling and Experimental Studies[J]. Materials Science and Engineering 2001, A297: 223—229.

[4] ISHIHARA S, NAN Z Y, MCEVILY A J, et al. On the Initiation and Growth Behavior of Corrosion Pits during Corrosion Fatigue Process of Industrial Pure Aluminum [J]. International Journal of Fatigue, 2008(30): 1659— 1668.

[5] DUQUESNAY D L, UNDERHILL P R, BRITT H J. Fatigue Crack Growth from Corrosion Damage in 7075- T6511 Aluminium Alloy under Aircraft Loading[J]. International Journal of Fatigue, 2003(25): 371—377.

[6] 張有宏, 呂國志, 任克亮, 等. 不同環境下LY12CZ鋁合金表面腐蝕損傷演化規律研究[J]. 航空學報, 2007, 28(1): 142—145.

[7] 劉治國, 李旭東, 穆志韜. 飛機用LY12CZ材料大氣腐蝕環境因子灰色關聯性研究[J]. 腐蝕與防護, 2012, 33(12): 1068—1071.

[8] 曹楚南. 中國材料的自然環境腐蝕[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005: 69—122.

[9] 張有宏. 飛機結構的腐蝕損傷及其對壽命的影響[D]. 西安: 西北工業大學, 2007.

[10] HARLOW D G, ROBERT P W. Probability Modeling and Material Microstructure Applied to Corrosion and Fatigue of Aluminum and Steel Alloys[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2009(76): 695—708.

[11] HARLOW D G, NARDIELLO J, PAYNE J. The Effect of Constituent Particles in Aluminum Alloys on Fatigue Damage Evolution: Statistical Observations[J]. International Journal of Fatigue, 2010(32): 505—511.

[12] ROBERT P W. A Model for Particle-induced Pit Growth in Aluminum Alloys[J]. Scripta Mater, 2001, 44: 2647—2652.

[13] HARLOW D G. Constituent Particle Clustering and Pitting Corrosion[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 43(8): 1—7.

[14] RAJASANKAR J, NAGESH R I. A Probability-based Model for Growth of Corrosion Pits in Aluminium Alloys [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2006(73): 553— 570.

[15] 黃元偉. 鋁和鋁合金的腐蝕及其影響因素的評述[J]. 上海有色金屬, 2012, 33(2): 89—95.

Microstructure Influencing Factors of Aero Aluminum Alloy Pitting Corrosion Behavior

LIU Zhi-guo, LI Xu-dong, MU Zhi-tao

(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao 266041, China)

Objective To offer theory support for deeply understanding the pitting corrosion behavior of aluminum alloy and ascertaining the microstructure factors that affect the pitting corrosion behavior of aluminum alloy. Methods Pitting corrosion of aluminum alloy in the service environment was viewed as a stochastic process which is affected by many factors. Based on the electrochemical corrosion mechanism and constant volume evolution model, qualitative and statistic analyses on microstructure influencing factors of aluminum alloy pitting corrosion were carried out. Results Factors influencing the microstructure of aluminium alloy pitting corrosion included the size of constituent particles, the particle density and the type of the constituent particles. Conclusion Both the size and the density of microscopic particle of aluminum alloy are statistical. Distribution functions related might be adopted to have statistic analysis on its distribution characters. Cu and Fe particles have greater impact on the behavior of aluminum alloy pitting corrosion.

aero aluminum alloy; pitting corrosion; influencing factors; microstructure

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.005

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0023-04

2016-10-27；

2016-12-27

劉治國（1976—），男，遼寧人，博士研究生，主要研究方向為飛機結構腐蝕疲勞壽命分析。