周 松 許 良 回 麗 王 磊 馬少華 韓 放
沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室,沈陽,110136
不同腐蝕環境下高強鋁合金腐蝕行為
周 松 許 良 回 麗 王 磊 馬少華 韓 放
沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室,沈陽,110136
針對航空鋁合金材料在服役過程中因惡劣環境而導致材料腐蝕的問題,通過分析腐蝕形貌、腐蝕坑開口面積、腐蝕深度、點腐蝕坑數量、pH值、腐蝕產物等變化,研究2xxx航空鋁合金在不同腐蝕環境(3.5%NaCl水溶液、模擬油箱積水溶液和潮濕空氣)中的腐蝕行為和機理。結果表明,在3.5%NaCl水溶液中,鋁合金試樣表面腐蝕坑的產生主要發生在前24 h內,其最大腐蝕坑深約為45 μm,而在72~120 h,隨預腐蝕時間的延長,腐蝕坑深度、個數的增加并不明顯;鋁合金試樣在模擬油箱積水環境中的腐蝕規律與在3.5%NaCl水溶液中的相似,但腐蝕坑最大開口面積和腐蝕坑的個數明顯減少;與前兩種環境相比,試樣在潮濕空氣環境中的腐蝕程度明顯減小,腐蝕坑總體個數最少,最大腐蝕坑深約在20 μm以內,最大開口面積約在5000 μm2左右,且隨著腐蝕時間的增長,腐蝕坑之間的深度差距越來越小。
高強鋁合金;腐蝕行為;點蝕;腐蝕環境;腐蝕產物
沿海環境服役的鋁合金裝備在工作過程中會不可避免地遭受一定程度的腐蝕損傷[1-4],而腐蝕損傷會大大縮短疲勞裂紋的萌生壽命,從而縮短鋁合金裝備的服役壽命及減小剩余強度[5-7]。目前,對鋁合金材料和結構件在腐蝕環境下的腐蝕類型、特點和規律的研究已有很多報道,這些研究成果已經為鋁合金的研究、設計、使用和維修等提供了寶貴的依據,但這些研究主要是針對鋁合金構件材料的使用環境(溫濕度、介質成分等)、腐蝕規律、類型及機理等的研究[8-14],而不同腐蝕環境對鋁合金材料點腐蝕影響規律方面的對比研究較少。鋁合金裝備在服役期間會遭受多種腐蝕環境,如被工業污染的大氣、海水、潮濕空氣、油箱積水環境等,因此,研究不同腐蝕環境對鋁合金構件材料的腐蝕行為影響規律有利于進行更準確的壽命預測,有利于開展更合理的壽命管理工作。
本文以新型高強鋁合金2xxx為研究對象,在3.5%NaCl水溶液環境、模擬油箱積水環境和潮濕空氣環境下對其進行不同時間預腐蝕,探討2xxx鋁合金在不同腐蝕環境中的點腐蝕特征和規律,得到不同腐蝕環境和不同腐蝕時間對其腐蝕行為的影響規律。
實驗材料選用厚度為2.5 mm的新型高強鋁合金2xxx,其化學成分如表1所示。用線切割加工試樣,尺寸為50 mm×25 mm×2.5 mm,形狀如圖1所示,并對試樣的四個側邊進行磨削加工,粗糙度達到0.8 μm。預腐蝕試驗采用ASTM G34-1標準。首先把試樣放在丙酮中超聲清洗5 min并取出冷風吹干,然后將其放在腐蝕箱里預腐蝕,腐蝕環境為3.5%NaCl水溶液(即鹽水)、模擬油箱積水溶液(成分如表2所示)、潮濕空氣(濕度大于90%);腐蝕時間為24 h、72 h、120 h;試驗溫度為25±5 ℃。每個時間下腐蝕10片平行試樣。試驗過程中用Sartorius PB-10酸度計測定腐蝕溶液的pH值,在最初的12 h內每隔2 h測定一次,之后每隔24 h測定一次。

表1 新型鋁合金板材化學成分(質量分數)Tab.1 The chemical composition of 2xxx aluminum alloy bar %

圖1 預腐蝕試樣形狀圖Fig.1 The shape of pre-corroded test specimen表2 模擬油箱積水環境成分Tab.2 Component of tank water mg/L

預腐蝕完成后用流動的純凈水沖洗,接著將試驗件在室溫下用三氧化鉻磷酸全浸15~30 min,用鑷子將其取出后放在自來水下進行沖洗,之后用電吹風冷風將其吹干后保存。使用Hirox KH-3000VD三維立體顯微鏡及Nova Nano SEM 450掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣腐蝕損傷區域進行觀察并測量其腐蝕坑深度和開口面積。使用愛國者數碼觀測王GE5顯微鏡在低倍下對腐蝕區域拍攝形貌并采集計算腐蝕坑的個數,因腐蝕坑分布不均,為統一計數標準,將重疊部分達1/3以上的腐蝕坑合計為一個。
2.1 腐蝕形貌特征和pH值變化
2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環境和不同腐蝕時間下的表面宏觀腐蝕形貌如圖2所示。在潮濕空氣環境中,整個腐蝕過程肉眼未見明顯的腐蝕坑。在3.5%NaCl水溶液腐蝕過程中,試樣浸泡7 h左右就出現肉眼可見的腐蝕坑(圖3a),隨著腐蝕時間的延長,腐蝕坑面積逐漸增大,尤其是試樣表面有明顯缺陷的位置,極易形成大面積的腐蝕區。在0~120 h腐蝕過程中,鹽水的pH值變化在6.4~7.1之間,變化較小,如圖4所示,對鋁合金的腐蝕行為不構成影響。

(a)潮濕空氣預腐蝕24 h (b)潮濕空氣預腐蝕72 h(c)潮濕空氣預腐蝕120 h

(d)鹽水預腐蝕24 h (e)鹽水預腐蝕72 h(f)鹽水預腐蝕120 h

(g)油箱積水預腐蝕24 h (h)油箱積水預腐蝕72 h(i)油箱積水預腐蝕120 h圖2 2xxx鋁合金試樣腐蝕宏觀形貌1Fig.2 Macroscopic morphology 1 of the 2xxx aluminum alloy test pieces
在模擬油箱積水環境中的腐蝕情況與3.5%NaCl水溶液環境不同,主要是由于模擬油箱積水環境中存在大量的重金屬離子,在腐蝕過程中,除了試樣自身不斷腐蝕外,金屬離子也不斷在試樣表面沉積。沉積現象與腐蝕現象互相交匯、影響。因此,在模擬油箱積水環境中鋁合金的腐蝕過程顯得更為復雜。在腐蝕過程中,試樣浸泡8 h左右,試樣表面就出現了表面產物(圖3b);隨著腐蝕時間的增加,表面產物在試樣上越積越多。腐蝕72 h左右,試樣基材已被表面產物完全覆蓋。整個腐蝕過程中pH值變化在4.2~5.4之間,如圖4所示,即0 h的模擬油箱積水pH值約為4.2,但在24 h左右pH值迅速上升至5.0左右后保持穩定,在120 h內,溶液pH值保持在5.4以下。

(a)鹽水環境預腐蝕7 h(b)油箱積水預腐蝕8 h圖3 2xxx鋁合金試樣腐蝕宏觀形貌2Fig.3 Macroscopic morphology 2 of the 2xxx aluminum alloy test pieces

圖4 2xxx鋁合金在不同腐蝕 環境中隨腐蝕時間引起的pH值變化曲線Fig.4 The pH change for 2xxx aluminum alloy curve caused by corrosion in different corrosion environments
2.2 腐蝕坑最大開口面積
用視頻顯微鏡測量了不同腐蝕環境、不同腐蝕時間下試樣腐蝕后的最大腐蝕深度和腐蝕坑最大開口面積。由于表面缺陷的存在,腐蝕坑極易在缺陷處連成片,因此在統計腐蝕坑最大開口面積時,成片的腐蝕區不計算在內,只考察單個的腐蝕坑。
表3所示是2xxx鋁合金在不同腐蝕環境下及不同腐蝕時間的點腐蝕坑最大平均開口面積(10片試樣上最大腐蝕坑面積均值)變化結果,圖5為2xxx鋁合金在不同腐蝕環境中腐蝕24 h、72 h、120 h后典型的腐蝕坑形貌圖。從表3和圖5中可以看出:同一腐蝕環境中,腐蝕坑最大平均開口面積隨著腐蝕時間的增加而增大;同一腐蝕時間下,腐蝕環境對腐蝕坑最大平均開口面積的影響由大到小依次是3.5%NaCl水溶液環境、模擬油箱積水環境、潮濕空氣環境。3.5%NaCl水溶液與模擬油箱積水腐蝕相比,腐蝕坑開口面積明顯增大,一方面是因為鹽水環境中的Cl-離子促進了材料的腐蝕與腐蝕坑的發展,另一方面是與模擬油箱積水中含有重金屬離子在試樣的表面沉積和結垢的作用有關。

表3 2xxx鋁合金不同腐蝕環境下 試樣點腐蝕坑最大平均開口面積Tab.3 Maximum average corrosion area of 2xxx aluminum alloy with different corrosive environments
2.3 最大腐蝕坑深度
圖6為2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環境和不同腐蝕時間下的最大腐蝕坑深度數據。由圖可見,隨著腐蝕時間的延長,2xxx鋁合金在潮濕空氣環境中的最大腐蝕坑深度幾乎沒有變化;在鹽水環境中,腐蝕24 h的試樣不同腐蝕坑所測的深度差距較大,而腐蝕72 h的試樣腐蝕坑深度則相對平均。這說明在腐蝕初期已有腐蝕坑萌生,隨后的24 h內,新腐蝕坑的萌生與初期萌生的舊腐蝕坑的發展是同時進行的,一直到腐蝕坑深度達到45 μm左右時,腐蝕坑的發展速度逐漸變緩,后期萌生的腐蝕坑縮小了與早期萌生的腐蝕坑的深度上的差距。在腐蝕72 h后,大量的腐蝕坑深度均可達到50 μm左右,而后繼續發展,到腐蝕120 h時,最大腐蝕坑深度約為55 μm;從腐蝕坑發展動力學分析,腐蝕坑萌生后,在腐蝕坑的孔內發生金屬鋁的溶解,其反應為而在孔口外表面發生耗氧腐蝕,反應方程式如下:

(a)潮濕空氣預腐蝕24 h(b)潮濕空氣預腐蝕72 h

(c)潮濕空氣預腐蝕120 h(d)鹽水預腐蝕24 h

(e)鹽水預腐蝕72 h(f)鹽水預腐蝕120 h

(g)油箱積水預腐蝕24 h(h)油箱積水預腐蝕72 h

(i)油箱積水預腐蝕120 h圖5 2xxx鋁合金試樣腐蝕坑形貌Fig.5 Morphology of corrosion pits of 2xxx aluminum alloy Al→Al3++3e
(1)
O2+2H2O+4e→4OH-
(2)
生成的OH-與Al3+反應形成氫氧化鋁,進而形成氧化鋁,氧化鋁堆積在孔口,使得腐蝕坑孔內部形成閉塞區,進而形成氧濃差電池,導致腐蝕坑加速發展。隨著腐蝕的發展,沉積在蝕孔口的氧化鋁由于不穩定發生脫落,閉塞區消失,氧濃差也隨之消失。又由于腐蝕坑內部材料為純鋁,極易發生鈍化,使得腐蝕坑停止發展。因此,在72 h以后,包鋁層上的腐蝕坑并沒有進一步擴大。

(a)潮濕空氣環境

(b)鹽水環境

(c)油箱積水環境圖6 2xxx鋁合金不同腐蝕環境下試樣最大腐蝕深度Fig.6 The maximum corrosion depth of 2xxx aluminum alloy in various corrosive environments
在模擬油箱積水環境中,隨著腐蝕時間的延長,腐蝕坑最大深度變化不大,與鹽水環境相比,腐蝕坑深度更深。在腐蝕過程中,試樣表面的反應比較復雜,重金屬離子的沉積與合金的腐蝕同時發生。有研究表明,環境中微量的Cu2+可以較大程度地加快鋁合金的腐蝕[15],所以和鹽水環境相比,在腐蝕較短的時間內合金就受到了相對較嚴重的腐蝕損傷。隨著腐蝕時間的延長,Zn2+的氧化物沉積在試樣表面,對試樣起到了機械鈍化的作用,減輕了腐蝕損傷,因此試樣的腐蝕坑最大深度并未隨時間延長而顯著增大。
同一腐蝕時間下,腐蝕環境對腐蝕坑最大深度的影響由大到小依次是模擬油箱積水環境、鹽水環境、潮濕空氣環境。
2.4 腐蝕坑數量
2xxx鋁合金試樣在不同腐蝕環境中的點腐蝕坑數量,如圖7所示。由圖7可見,隨著腐蝕時間的增加,不同腐蝕環境下點腐蝕坑的數量一直在增加,但增加的幅度大不相同。鹽水環境下,腐蝕坑主要集中在包鋁層,且腐蝕坑的數量隨腐蝕時間的延長變化不大。模擬油箱積水環境與鹽水腐蝕環境相比,腐蝕坑數量明顯偏少,這是因為模擬油箱積水腐蝕環境中Cl-含量偏少,使得鈍化膜發生局部破壞的概率減小。隨著腐蝕時間的增長,在潮濕環境中,試樣表面腐蝕坑越來越多。鹽水環境和模擬油箱積水環境下的點腐蝕坑的數量遠大于潮濕空氣下的點腐蝕坑的數量。同一腐蝕時間下,腐蝕環境對腐蝕坑數量的影響由大到小依次是:鹽水環境,模擬油箱積水環境,潮濕空氣環境。

圖7 2xxx鋁合金不同腐蝕環境下試樣腐蝕坑數量Fig.7 The number of corrosion pits of 2xxx aluminum alloy in various corrosive environments
2.5 不同腐蝕環境下鋁合金的腐蝕機理
由于模擬油箱積水溶液中含有Zn2+、Cd2+、Cu2+、Fe3+等重金屬離子,這些重金屬離子在試樣表面的沉積和結垢與合金的腐蝕同時發生,因此,試樣表面的反應比較復雜。試樣表面腐蝕產物的微觀形貌如圖8所示。可以看出,在浸泡腐蝕24 h后,試樣表面聚集了一些細小顆粒狀的腐蝕產物,隨著腐蝕時間的增加(72 h),顆粒狀的腐蝕產物變大連接成小塊狀,到腐蝕后期(120 h),試樣表面腐蝕產物變得更大且多孔。由EDS結果可知,這些顆粒狀腐蝕產物主要含有O、Zn、Cd、Al、Cu、Na、C1以及少量的Fe、Ca、Mg等元素,如表4所示。

(a)預腐蝕24 h (b)預腐蝕72 h

(c)預腐蝕120 h圖8 2xxx鋁合金在模擬油箱積水環境中 的腐蝕產物微觀形貌Fig.8 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in the simulated fuel tank water表4 模擬油箱積水環境中2xxx鋁合金表面產物的EDS分析Tab.4 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after immersing in the simulated fuel tank water

預腐蝕時間(h)質量分數(%)OFeZnCuCdCaNaClMgAl2438.210.5122.823.9013.110.445.091.960.6313.337232.350.3514.211.5724.70.784.162.820.5918.4712026.630.491.461.0842.830.351.163.730.5621.71
由于模擬油箱積水溶液中Zn2+、Fe3+、Cr3+、Cu2+、Cd2+等離子在鋁合金表面都具有結垢特性,其中Fe3+、Cr3+離子在溶液中以膠體的形式懸浮在水中,因此在腐蝕初期(24 h),試樣表面腐蝕產物為鋅、鎘和銅的氫氧化物結垢物質。由于Cr3+在模擬油箱積水溶液中含量較小,所以檢測表明腐蝕產物時未發現鉻元素。
由2.1節可知鋁合金材料浸泡于模擬油箱積水溶液中的pH值在4.2~5.4范圍內,溶液呈弱酸性,但溶液中含有微量的OH—,使溶液存在如下反應:
Mn++nOH-?M(OH)n↓
(3)
溶液中OH-含量隨著pH值增大而增加,促進反應式(3)向右進行,加速氫氧化物的生成,使其沉積在鋁合金包鋁層表面,形成表面結垢產物。因而,在浸泡初期(24 h),Zn2+、Cd2+和Cu2+的氫氧化物成為主要結垢物質。隨著浸泡時間的增加,溶液中pH值的增速變緩(由5.0增至5.4),導致鋅和銅的氫氧化物生成變緩,因而鋅和銅元素在腐蝕產物中所占的比例隨著腐蝕時間的增加而降低。由于鎘元素在模擬油箱積水溶液中含量較大,當其他元素生成速度變緩,鎘元素在腐蝕產物中所占的比例隨著腐蝕時間的延長而增加,與pH值的變化關系不大,這與文獻[16]研究結果相一致。
2xxx鋁合金在3.5%NaCl水溶液中腐蝕產物的微觀形貌如圖9所示。由圖9可知,在腐蝕24 h以后試樣表面有很多細小的點坑,坑的分布不是很密集,隨著腐蝕時間的增加(72 h),試樣表面被灰色顆粒狀的腐蝕產物覆蓋,當腐蝕120 h時,試樣表面形成了一些白色的腐蝕產物。由EDS結果可知,這些顆粒狀腐蝕產物的主要含有O、Al、Cu以及少量的Na、C1、Mg、Si等元素,如表5所示。
2xxx鋁合金在3.5%NaCl溶液中腐蝕時,由于S相是2xxx系鋁合金中一種主要析出相,而S相中的Mg有較高的化學活性將首先被溶解,導致S相中Cu含量變高,同時在溶液中已經溶解的Cu離子和Al原子發生反應,使Cu在S相中富集,所以在腐蝕初期(24 h),腐蝕產物中Cu的含量是最高的[17]。隨著腐蝕時間的增加,富銅的S相電位變正后變為陰極,造成其周圍基體溶解,導致S相從基體中脫落,脫落的顆粒數量隨著腐蝕時間的增加而增加,所以造成腐蝕產物中銅和鎂的含量降低,鋁、氧含量逐漸增高。

(a)預腐蝕24 h (b)預腐蝕72 h

(c)預腐蝕120 h圖9 2xxx鋁合金在鹽水環境中 的腐蝕產物微觀形貌Fig.9 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in NaCl solution表5 鹽水中2xxx鋁合金表面產物的EDS分析Tab.5 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after immersing in NaCl solution

預腐蝕時間(h)質量分數(%)OAlCuNaClMgSi2416.4117.4159.143.180.501.861.517239.3041.3813.750.910.970.663.0512046.0443.487.610.190.330.541.81
鋁合金的點蝕可分為兩個階段,即點蝕成核階段和點蝕生長階段。點蝕成核的原因主要有兩種,即吸附理論[18]和氯離子滲透機制[19]。一旦點蝕坑形成后就會迅速發展,這主要是點蝕坑內部發生了自我催化過程:蝕坑外表面是陰極發生吸氧反應可用式(2)表示,點蝕坑內部金屬發生陽極反應(即鋁的溶解)可用式(1)表示,而腐蝕產物在點蝕坑口堆積,阻礙了擴散和對流,使孔內溶液得不到稀釋,形成微電偶腐蝕電池效應。
2xxx鋁合金在潮濕空氣環境中腐蝕產物的微觀形貌如圖10所示。由圖10可見,在腐蝕24 h以后試樣表面有一些細小的點蝕坑和小凸起,坑和小凸起的分布不是很密集,隨著腐蝕時間的增加(72 h),試樣表面出現一些白色顆粒狀的腐蝕產物,到腐蝕120 h時,試樣表面白色的腐蝕產物變大。對這些腐蝕產物進行成分分析,結果如表6所示。

(a)預腐蝕24 h (b)預腐蝕72 h

(c)預腐蝕120 h圖10 2xxx鋁合金在潮濕空氣環境中的 腐蝕產物微觀形貌Fig.10 Micro morphology of 2xxx aluminum alloy with corrosion products in wet air environment表6 潮濕空氣中2xxx鋁合金表面 產物的EDS分析Tab.6 EDS analysis of products on the surface of 2xxx aluminum alloy after corrosion in the wet air environment

預腐蝕時間(h)質量分數(%)OAlCuMgCaC2414.5848.3532.362.330.791.597238.8327.023.151.8916.4512.6612048.5611.641.211.6420.6116.34
在潮濕空氣環境中,水分子在鋁合金基體表面結露后變成水滴,水滴連成片后生成水膜,水膜外離子導電,水膜內鋁合金基體導電,構成電化學回路,導致腐蝕反應發生在這層水膜下,化學反應如下。
陽極反應:Al-3e→Al3+
陰極反應如式(2)所示。因此鋁合金在潮濕空氣環境中被水膜覆蓋的腐蝕時間越長,發生腐蝕反應的時間也越長,腐蝕就越嚴重。
腐蝕損傷會造成鋁合金結構疲勞性能大幅下降,這對其壽命有極大影響[20]。文獻[8,21]指出,最大腐蝕深度和最大開口面積可以作為預測疲勞壽命時的重要參數且它們之間的關系為負指數關系[22]。綜上所述,不同腐蝕環境會對其腐蝕行為產生影響,其中潮濕空氣對2xxx鋁合金影響較小,而鹽水環境和模擬油箱積水環境對其影響較大。
(1)在3.5%NaCl鹽水中,2xxx材料表面點蝕坑的萌生主要發生在前24 h內,其最大腐蝕坑深約為45 μm。在72~120 h范圍內,隨預腐蝕時間的延長腐蝕坑深度的增加并不明顯,腐蝕坑的最大開口面積隨著腐蝕時間的延長而增大,在120 h時達到23×104μm2。
(2)在模擬油箱積水環境中腐蝕24~120 h內,隨著腐蝕時間的延長,腐蝕坑最大深度變化不大,且與鹽水環境中腐蝕深度相近,腐蝕坑最大開口面積有所增加,約在10×104μm2以內,比鹽水環境中開口面積小。
(3)潮濕環境中試樣的腐蝕程度與鹽水及模擬油箱積水環境相比明顯減小,其深度約在20 μm以內,最大開口面積約為0.5×104μm2。試樣的最大腐蝕坑深度和開口面積隨著腐蝕時間的延長變化并不明顯。
(4)鹽水環境下,腐蝕坑的數量隨腐蝕時間的延長變化不大,模擬油箱積水環境與鹽水浸漬環境相比,腐蝕坑明顯偏少,而潮濕環境與鹽水和模擬油箱積水相比腐蝕坑更少,但潮濕環境中隨著腐蝕時間的增長,表面腐蝕坑越來越多,且不同腐蝕坑的深度差距越來越小。
(5)2xxx鋁合金在潮濕空氣、鹽水和模擬油箱積水環境中主要發生了點腐蝕,其中在鹽水環境中的腐蝕坑開口面積更大、密度更高,而在潮濕空氣中的腐蝕坑開口面積、深度及密度都最小。
[1] 回麗,于翔,許良,等.航空鋁合金腐蝕坑當量化技術[J].中國機械工程, 2015, 26(16): 2233-2236. HUI Li, YU Xiang, XU Liang, et al. On Quantitative Techniques of Corrosion Pits of Aerial Aluminum Alloys [J]. China Mechanical Engineering, 2015, 26(16): 2233-2236.
[2] 張海威,何宇廷,范超華,等.腐蝕/疲勞交替作用下飛機金屬材料疲勞壽命計算方法[J].航空學報, 2013, 34(5):1114-1121. ZHANG Haiwei,HE Yuting,FAN Chaohua, et al. Fatigue Life Prediction Method for Aircraft Metal Material under Alternative Corrosion/Fatigue Process[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(5):1114-1121.
[3] 張川,姚衛星. 鋁合金預腐蝕剩余壽命的分形維數預測方法[J].中國機械工程,2013,24(17):2337-2340. ZHANG Chuan, YAO Weixing. Prediction of Residual Life of Pre-corrosion Aluminum Alloy with Fractal Dimension [J]. China Mechanical Engineering, 2013,24(17):2337-2340.
[4] GRUENBERG K M, CRAIG B A, HILLBERRY B M, et al. Predicting Fatigue Life of Pre-corroded 2024-T3 Aluminum[J]. International Journal of Fatigue, 2004, 26(6):629-640.
[5] BELLINGER N C, KOMOROWSKI J P, BENAK T J. Residual Life Predictions of Corroded Fuselage Lap Joints[J].International Journal of Fatigue,2001,23(1):349-356.
[6] SABELKIN V, PEREL V Y, MISAK H E, et al. Investigation into Crack Initiation from Corrosion Pit in 7075-T6 under Ambient Laboratory and Saltwater Environments[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2015,134:111-123.
[7] MEDVED J J, BRETON A M, IRVING P E. Corrosion Pit Size Distributions and Fatigue Lives: a Study of the EIFS Technique for Fatigue Design in the Presence of Corrosion[J]. International Journal of Fatigue, 2004, 26:71-80.
[8] 胡家林,陳躍良,張玎,等.基于圖像的腐蝕損傷及疲勞壽命研究[J].航空學報, 2010,31(1):131-135. HU Jialin, CHEN Yueliang, ZHANG Ding, et al. Analysis of Corrosion Damage and Fatigue Life Based on Corrosion Image [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(1): 131-135.
[9] DAN Z H, MUTO I, HARA N. Effects of Environmental Factors on Atmospheric Corrosion of Aluminium and Its Alloys under Constant Dew Point Conditions [J]. Corrosion Science,2012, 57(1):22-29.
[10] 徐火平,劉慧叢,朱立群,等. 鹽霧環境中高強鋁合金點腐蝕行為與暴露面積的關系[J].航空材料學報, 2010,30(4):59-64. XU Huoping, LIU Huicong, ZHU Liqun, et al. Relation between Pitting Corrosion Behavior and Exposed Area of High Strength Aluminum Alloys in Neutral Salt Spray[J]. Journal of Aeronautical materials, 2010,30(4):59-64.
[11] 董超芳,安英輝,李曉剛,等. 7A04鋁合金在海洋大氣環境中初期腐蝕的電化學特性[J].中國有色金屬學報,2009, 19(2): 346-352. DONG Chaofang, AN Yinghui, LI Xiaogang, et al. Electrochemical Performance of Initial Corrosion of 7A04 Aluminium Alloy in Marine Atmosphere[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2009, 19(2): 346-352.
[12] 黃領才,劉慧叢,谷岸. 沿海環境下服役飛機鋁合金零件的表而涂層破壞與腐蝕[J].航空學報,2009, 30(6):1144-1149. HUANG Lingcai,LIU Huicong,GU An. Failure and Corrosion of Coating on Aluminum Alloy Parts Used on Airplanes Serving in Costal Environment[J]. Acta Aeronautics et Astronautics Sinica, 2009,30(6):1144-1149.
[13] 李晨鈺,朱立群,劉慧叢,等.溫度對2A12鋁合金在模擬油箱積水環境中初期腐蝕行為的影響[J].航空學報,2013, 34(6): 1493-1500. LI Chenyu. ZHU Liqun. LIU Huicong. et al. Influence of Temperature on Initial Corrosion Behavior of Aluminum Alloy 2A12 in Simulated Tank Water Environment[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013,34(6): 1493-1500.
[14] GRILL R, BAKER M A, CASTLE J E, et al. Corrosion Behavior of a 2219 Aluminium Alloy Treated with a Chromate Conversion Coating Exposed to a 3.5%NaCl Solution[J]. Corrosion Science, 2011,53(4): 1214-1223.
[15] 云鳳玲,徐克.重金屬離子對5052鋁合金耐蝕性能的影響化學工業與工程[J].化學工業與工程,2010,27(2):173-176. YUN Fengling, XU Ke. Effect of Heavy Metal Ions on the Corrosion of Aluminum Alloy 5052[J]. Chemical Industry and Engineering, 2010,27(2):173-176.
[16] 管琪,劉慧叢,朱立群,等.2524鋁合金包鋁層在模擬油箱積水環境中結垢及其對腐蝕行為的影響[J].材料工程,2013(5):11-15. GUAN Qi, LIU Huicong, ZHU Liqun, et al. Scaling of 2524 Aluminum Alloy with Cladding in Simulated Fuel Tank Water Environment and Influence to Corrosion Behavior[J]. Journal of Materials Engineering,2013(5):11-15.
[17] LI J F , ZHENG Z Q, JIANG N, et al. Localized Corrosion Mechanism of 2xxx-series Al Alloy Containing S(Al2CuMg) and θ′(Al2Cu) Precipitates in 4.0% NaCl Solution at pH 6.1[J]. Materials Chemistry and Physics, 2005, 91(2/3):325-329.
[18] UHILIG H H. Environmental Factors Effecting the Critical Pitting Potential of Aluminium[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1969,116:906-914.
[19] HOAR T P, MEARS D C, ROTHWELL G P. The Relationships between Anodic Passivity, Brightening and Pitting[J]. Corrosion Science, 1965, 5(4):279-289.
[20] 譚曉明,張丹峰,卞貴學,等. 腐蝕對新型高強度鋁合金疲勞裂紋萌生機制及擴展行為的作用[J].機械工程學報,2014,50(22):76-83. TAN Xiaoming, ZHANG Danfeng, BIAN Guixue, et al. Effect of Corrosion Damage on Fatigue Crack Initiation Mechanism and Growth Behavior of High Strength Aluminum Alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(22): 76-83.
[21] JONES K, HOEPPNER D W. Prior Corrosion and Fatigue of 2024-T3 Aluminum Alloy[J].Corrosion Seience,2006, 48(10):3109-3122.
[22] 張有宏,呂國志,陳躍良,等.鋁合金腐蝕損傷的形態學研究[J].腐蝕科學與防護技術,2007,19(4):272-274. ZHANG Youhong, LYU Guozhi, CHEN Yueliang, et al. Morphological Study on Corrosion Damage of Aluminum Alloy[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2007, 19(4):272-274.
(編輯 王旻玥)
Corrosion Behavior of High Strength Aluminum Alloy under Different Corrosion Environments
ZHOU Song XU Liang HUI Li WANG Lei MA Shaohua HAN Fang
Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital ManufacturingProcess,Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136
Aiming at the corrosive material problems caused by harsh environment during the service of aviation aluminum alloy materials, research on the corrosion behavior and mechanism of 2xxx aviation aluminum alloys servicing in different corrosive environments(3.5% NaCl solution, water in fuel tank and wet air) was conducted based on the analyses about the corrosion morphology, openning areas, depths and quantity of the pits, pH values and corrosion products. Results show that corrosion products are mainly found in the first 24 hrs for specimens in 3.5% NaCl solution with the biggest pit depth about 45 μm, with the increase of the corrosion time between 72~120 hrs, the increase of pit depths and quantities are not obvious. The corrosion behavior for specimens in water in fuel tank was similar to that in NaCl solution, but the pit openning areas and quantities decrease dramatically. The corrosion extents for specimens in the wet air decrease compaired with the other two corrosive environments with the least pit quantity, the deepest pit depth is lower than 20 μm and the biggest pit openning area is around 5000 μm2, the differences among pit depths decrease with the increase of corrosion time.
high strength aluminum alloy; corrosion behavior; pitting; corrosive environment; corrosion product
2016-10-17
沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室開放基金資助項目(SHSYS2015002);遼寧省教育廳高等學校科學研究項目(L2016033)
V252;V216;TG172
10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.016
周 松,男,1987年生。沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室工程師。主要研究方向為腐蝕環境下飛機結構壽命評定。許 良,男,1965年生。沈陽航空航天大學機電工程學院副教授。回 麗(通信作者),女,1965年生。沈陽航空航天大學機電工程學院教授。E-mail:syhuili@126.com。王 磊,男,1981年生。沈陽航空航天大學機電工程學院副教授。馬少華,男,1980年生。沈陽航空航天大學機電工程學院工程師。韓 放,男,1989年生。沈陽航空航天大學機電工程學院碩士研究生。