航空鋁合金應力腐蝕研究前景

郭一，黃智勇，金國鋒，田干

(火箭軍工程大學 導彈工程學院，陜西 西安 710000)

航空航天鋁合金必須承載結構和空氣動力負荷，同時價格低廉且容易制作[1-4]。除了高機械性能和長期耐久性，更至關重要的是材料必須具備更大的強度重量比[5-6]。

鋁合金的應力腐蝕開裂(SCC)現象非常嚴重，是一種由拉伸載荷的聯合作用引起的現象[7]，而強度越高的鋁合金越敏感[8-10]。應力腐蝕產生的裂紋首先出現在材料表層的缺陷位置，往往在外觀無明確預兆的情況下突然斷裂，嚴重威脅飛行器和工作人員的安全[11-12]。因此，在航天航空領域，研究鋁合金的應力腐蝕對于其性能及壽命的提升有著重要意義。

1 應力腐蝕機理

影響鋁合金SCC過程的因素主要包括腐蝕介質以及應力[13-14]。鋁合金的種類眾多，腐蝕環境也各種各樣，所以在不同的情形下有不同的應力腐蝕機理。目前這些腐蝕機理尚未統一，主要的腐蝕機理有以下幾種：

陽極溶解理論：首先由Dix等[15]在1940年提出。材料在應力的作用下產生有利的腐蝕路徑，即陽極被氧化溶解，并且形成的裂紋不斷蔓延，從而導致合金的損壞。陽極溶解理論又可細分為三種：陽極通道理論、滑移溶解理論以及膜溶解理論。其中最常用的是滑移溶解理論。最初是由Champion以及Logant提出[16]，1965年，Swann與Embury又加以修正[17-18]。鋁合金的表層與空氣或其它腐蝕介質接觸容易形成一層鈍化膜，由于施加的應力造成其發生位錯滑出表面產生滑移階梯，最終導致局部氧化膜破裂露出材料基體進而引起溶解腐蝕，造成裂紋不斷擴展以致斷裂。

氫致開裂理論：由于應力產生的位錯導致了裂紋尖端吸附氫原子的速率加快，使晶界之間的結合強度下降從而發生SCC[19-20]。

機械理論：1961年，Paugh和Jones[21]提出的關于SCC最簡單的機理。他們認為裂紋的擴展主要是由機械作用造成。鋁合金在加載應力之后，晶界比晶粒更容易遭到腐蝕介質的侵蝕，從而使裂紋不斷蔓延擴大。

2 航空鋁合金的應力腐蝕研究進展

目前來說，航空領域最常用的變形鋁合金有2xxx系(Al-Cu系)、6xxx系(Al-Si-Mg系)、7xxx系(Al-Zn系)以及Al-Li系合金[22]；而鑄造鋁合金的牌號以及使用量較少，主要應用的是Al-Si系和Al-Cu 系[23]。

2.1 變形鋁合金

2xxx系鋁合金主要以Cu為合金元素，是鋁合金歷史中出現最早、應用時間最長的中等強度的鋁合金材料，至今仍廣泛應用在航空飛行器的結構部位諸如蒙皮、框、肋和螺旋槳槳葉上。Choi與Kim等[24]利用恒載荷試驗法和慢應變速率試驗法，在陰極外加電位下，分別測試了2024-T2、2124-T851以及2050-T84合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中的SCC敏感性。兩種實驗方法下，2124-T851和2050-T84試樣的拉伸延性降低可以忽略不計，證明了2xxx系列鋁合金經過熱處理后的SCC敏感性會降低。與2124-T851和2050-T84相比，2024-T2中Fe與Si元素含量較高，相當于以雜質的形式存在，通過沉淀混合物促進腐蝕損害材料。Lee和Kim等[25]采用同樣的方法對2024-T351在不同試驗變量下進行了檢測。在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中，SCC以不同的速率沿著不同的晶粒方向延伸，最終導致了其力學性能的下降，同時證明了在陽極和陰極施加電位時，2024-T351合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中是由陽極溶解和氫致開裂共同導致其應力腐蝕的發生。

7xxx系鋁合金主要以Zn為主合金元素，其發展和應用稍晚，始于20世紀30年代，廣泛用于蒙皮、壁板等機體關鍵件。Prasanta與Ghosh[26]研究了T6熱處理下的7017和7150鋁合金在0.6 mol/L的氯化鈉溶液中的自由腐蝕和外加陽極電位下的慢應變速率實驗。結果表明，T6狀態下的7017合金的SCC現象并不明顯，而T6狀態下的7150合金易發生SCC。在施加陽極電位時，兩種合金的SCC現象都很嚴重。通過電鏡觀察試樣表面、斷口以及裂縫，可以推測7150合金發生應力腐蝕開裂機理是晶界析出物的陽極溶解伴隨氫致裂紋；而7017合金是由局部陽極溶解從而導致SCC。Oger與Andrieu等[27]選擇了低腐蝕敏感性的合金7046-T4研究其SCC機制。將合金在0.6 mol/L 的氯化物溶液中浸泡后以10-3s-1的應變速率進行試驗。對于預腐蝕的樣品觀察到機械性能的損失，歸因于氫的吸收、擴散，影響合金表面下的體積并改變其機械性能，通過電鏡觀察驗證了氫致開裂是造成SCC的主要機制。

航空領域對鋁鋰合金的使用主要開始于第二代鋁鋰合金[28]，鋁鋰合金在空氣動力學領域被廣泛認為是一種理想的輕質高強度結構材料[29]，并且被NASA制成航天飛機的低溫推進劑罐。Zhao與Yu等[30]通過慢應變速率法研究了2297鋁鋰合金在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液和CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中的SCC敏感性。2297鋁鋰合金在CP溶液中無SCC行為；而在CPS溶液中，隨著應變速率由10-5s-1降低到10-7s-1，SCC敏感性先上升后下降，在10-6s-1時達到最大值。結果表明，在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液中，H2O2促進2297鋁鋰合金的溶解，造成較大的腐蝕侵蝕；在CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中，硫酸根離子的存在使腐蝕速率下降導致應力集中從而發生SCC。其SCC行為受到裂紋尖端和裂紋壁區域陽極溶解的顯著影響。此外，作為裂縫的優選起始位點，凹坑對2297鋁鋰合金的SCC也有較大影響。Goebel等[31]通過四點彎曲法和慢應變速率法對第三代鋁鋰合金2099-T86進行試驗。施加應力的樣品中皆為選擇性晶粒發生點蝕，兩種測試方法顯示出相似的形態。在試樣的壓縮以及拉伸側都發現了點蝕現象，說明試樣拉伸側的凹坑深度在不斷增加。而電化學分析也印證了應力加載下的試樣具有較高的腐蝕活性。

2.2 鑄造鋁合金

鑄造鋁合金是將純鋁在熔融狀態下，然后加入其它元素來改良其性質，同時，還能保留鋁自身的優良性能。鑄造鋁合金主要包括：Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。其中，Al-Si系和Al-Cu系應用較多。

鑄造鋁合金中最常用的就是Al-Si系合金，主要用于制造儀器儀表等附件。李晨等[33]利用自制的載荷傳感器將ZL101合金浸入至酸性介質中(3.5% HCl+NaCl的飽和溶液)研究其應力腐蝕開裂性能。結果表明，ZL101合金的SCC十分明顯，在拉伸的狀態下SCC現象更為嚴重，產生的裂紋擴展速率大于其壓縮狀態。觀察斷口形貌發現其腐蝕行為沿晶界不斷蔓延，為陽極溶解和機械損傷共同導致。上官曉峰等[34]利用恒定載荷法研究了鑄造鋁合金A356在0.6 mol/L氯化鈉溶液中的SCC特性，結論與李晨等相似，通過觀察，在斷口處發現了穿晶脆性斷裂形貌，為陽極溶解和機械損傷共同作用，但是以陽極溶解為主。

Al-Cu系鑄造鋁合金是強度最高的一類鋁合金，在加入其它元素后，力學性能有了大幅度的提高，適于制造航空發動機及附件零件，如機匣、殼體等。劉家軍[35]通過慢應變速率拉伸試驗以及恒載荷法等方法研究了ZL205A鑄造鋁合金的SCC性能。最終得出在T6熱處理狀態下的ZL205A鋁合金的SCC現象不明顯，在0.6 mol/L的氯化鈉中具有很高的抗SCC性能。通過觀察斷口形貌分析，其應力腐蝕機理為陽極溶解，施加應力之后，其表面形成滑移臺階，最終裂紋尖端被氧化、鈍化，阻礙裂紋的擴展。

3 結束語

大部分航空應用鋁合金的抗SCC特性較差，其中，變形鋁合金的SCC機理主要以陽極溶解和氫致開裂共同導致；鑄造鋁合金則以陽極溶解為主，機械損傷為輔。盡管航空鋁合金的抗應力腐蝕已經得到了一定的改善，可以通過增強其熱處理機制等方法來實現，但是這個問題仍不能掉以輕心。目前，鋁合金的應力腐蝕開裂機理尚未統一，仍需要進行更深層次的試驗及研究去解釋應力腐蝕敏感性變化的原因。隨著人們對鋁合金越來越重視，研究逐步深入以及新技術新工藝的出現，新型號的鋁合金會具備更有益的綜合性能。