7A04和2A97在典型氣候環境中 的性能演變規律研究

楊玉萍，劉劍，趙宏坤，劉艷芳，王沖文，戈帆，羅瑞，肖建軍，楊品杰

（云南北方光電儀器有限公司，昆明 650114）

鋁及鋁合金具有密度小、電導熱能力強、成形加工性好以及物理化學綜合性能優異等一系列優點，在航空、能源、食品、電子、交通等領域得到廣泛的應用，已經成為工業生產中用量僅次于鋼鐵的第二大金屬材料[1-4]。7A04屬于Al-Zn-Mg-Cu系高強度鋁合金，用于制造飛機機體（如蒙皮、結構支撐件以及需要承重的結構部件）和運載火箭箭體結構[5-10]。2A97屬于Al-Cu-Li系新型鋁鋰合金，具有強度高、剛度高、韌性好等特點，受到廣泛關注，應用在飛機典型結構部位[11-12]，用其取代常規鋁合金，可使構件質量降低10%～15%，剛度提高15%～20%[13]。但鋁合金的耐蝕性較差，極易發生點蝕、晶間腐蝕等局部腐蝕。鋁合金腐蝕嚴重時，會造成構件失效，從而影響到飛機整機的服役壽命。隨著航空鋁合金服役環境日益復雜，高強鋁合金遭遇腐蝕性的環境越來越多[14-18]，因此研究鋁合金在典型氣候環境中的性能演變規律對于指導實際應用具有重要意義。以7A04、2A97分別為高強鋁合金、新型鋁合金的代表，開展其在自然環境下的戶外暴露試驗，得到的數據直觀、可靠。通過對二者的各性能參數以及環境適應性進行對比分析，可以獲得不同類鋁合金之間的腐蝕特征和規律，為材料的環境適應性設計和防護提供數據支撐。

金屬材料在自然大氣環境中因氣候或環境因素的作用而引起的金屬變質、甚至破壞的現象稱為金屬的大氣腐蝕[13]。在干凈的大氣環境中，當達到一定相對濕度后，大氣中的水蒸氣在金屬表面凝聚或吸附成水膜，這是金屬發生大氣腐蝕的主要原因[19-23]。由此文中選擇在萬寧濕熱海洋、西雙版納濕熱雨林、江津暖濕酸雨三種典型氣候中開展直接暴露試驗。暴露0.5、1、1.5、2 a后，采用宏觀測試方法觀察兩種鋁合金外觀形貌，采用拉伸試驗機和布氏硬度計測試樣品的抗拉強度、斷后伸長率和硬度，分析7A04和2A97在不同典型氣候環境中的性能演變規律。

1 試驗

1.1 材料

試驗材料選用鋁合金擠壓棒材7A04和1.5 mm厚鋁鋰合金冷軋薄板2A97，化學成分（以質量分數計）見表1。試樣按GB/T 228制成標準圓形（直徑10 mm）和矩形（12.5 mm×1.5 mm）拉伸試驗試樣，以及圓形（直徑50 mm）和矩形（50 mm×50 mm）試塊，如圖1和圖2所示。

表1 7A04和2A97化學成分 Tab.1 Chemical composition of 7A04 and 2A97 %

圖1 7A04試樣 Fig.1 Sample of 7A04

圖2 2A97試樣 Fig.2 Sample of 2A97

1.2 典型環境戶外暴露試驗

將7A04和2A97試樣直接暴露在萬寧濕熱海洋、西雙版納濕熱雨林和江津暖濕酸雨典型氣候環境下開展自然環境試驗，按0.5、1、1.5、2 a的周期進行周期取樣和性能檢測。

1.3 性能檢測

每周期試驗結束后，取回5件拉伸試樣和2件試塊進行外觀形貌觀察及抗拉強度、斷后伸長率、硬度等性能的檢測。其中檢測拉伸性能時，保留試樣的表面腐蝕狀態，不進行酸洗。對試樣尺寸進行人工檢測后，采用電子拉力試驗機進行拉伸性能檢測。7A04硬度性能檢測時，對樣品表面進行車削以達到硬度性能檢測表面粗糙度要求；2A97硬度性能檢測時，不進行加工，保留原始表面狀態。

2 結果與討論

2.1 形貌觀察

7A04和2A97鋁合金樣品在不同典型環境條件下暴露不同時間后的表面宏觀形貌如圖3和圖4所示。可以看出，7A04和2A97在濕熱海洋氣候環境下的腐蝕較為嚴重，在暖濕酸雨氣候環境下的腐蝕次之，在濕熱雨林氣候環境下的腐蝕最小，隨著暴露時間的延長，腐蝕情況趨于嚴重。7A04在濕熱海洋氣候環境下暴露后，腐蝕產物逐漸覆蓋整個表面；在暖濕酸雨氣候環境下暴露后，呈現點蝕；在濕熱雨林氣候環境暴露后，表面附著苔蘚類物質或灰塵，未出現明顯腐蝕。2A97在濕熱海洋氣候環境下暴露后，呈現點蝕；在暖濕酸雨和濕熱雨林氣候環境下暴露后，表面未出現明顯腐蝕產物，附著苔蘚類物質或灰塵。從外觀形貌看，在相同氣候環境相同暴露時間后，7A04比2A97腐蝕嚴重。

圖3 7A04不同典型氣候環境下不同暴露周期后表面宏觀形貌 Fig.3 Marco photots of 7A04 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

圖4 2A97不同典型氣候環境下不同暴露周期后表面宏觀形貌 Fig.4 Marco photots of 2A97 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

2.2 抗拉強度測試數據分析

7A04和2A97在不同典型氣候環境不同暴露周期后，抗拉強度測試數據見表2?？梢钥闯?，7A04經過2 a的濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環境暴露試驗后，抗拉強度變化較小，說明各典型氣候環境雖然對7A04表面產生了腐蝕，但腐蝕主要集中在表面，未嚴重影響其抗拉強度。2A97經過2 a的濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環境暴露試驗后，抗拉強度變化也較小，說明濕熱雨林氣候環境、暖濕酸雨氣候環境對2A97的抗拉強度影響不大。在經過2 a的濕熱海洋氣候環境暴露試驗后，抗拉強度下降約9%，說明2 a的濕熱海洋氣候環境暴露試驗已經造成了2A97抗拉強度的劣化。

表2 7A04和2A97抗拉強度平均值 Tab.2 Average tensile strength of 7A04 and 2A97 MPa

2.3 斷后伸長率測試數據分析

7A04和2A97在不同典型氣候環境暴露不同周期后，斷后伸長率測試數據見表3?？梢钥闯?，經過0.5 a的濕熱海洋氣候環境試驗后，7A04和2A97的斷后伸長率出現了不同程度的下降，7A04下降約24%，2A97下降約43%。0.5～2 a的試驗期間，二者的斷后伸長率保持穩定，未出現明顯下降，腐蝕處于穩定階段。經過1.5 a的濕熱雨林氣候環境試驗后，7A04的斷后伸長率基本未發生變化，直到暴露2 a后，斷后伸長率出現下降，下降約24%，而2A97的依然保持不變。經過1 a的暖濕酸雨氣候環境試驗后，7A04的斷后伸長率下降約17%，隨后保持穩定；而2A97在暴露1.5 a前，斷后伸長率基本沒發生變化，暴露2 a后出現下降，下降約33%。從斷后伸長率數據分析，2A97的耐蝕性比7A04強。

表3 7A04和2A97斷后伸長率平均值 Tab.3 Average elongation of 7A04 and 2A97 after fracture %

2.4 布氏硬度測試數據分析

7A04和2A97在不同典型氣候環境不同暴露周期后，布氏硬度測試數據見表4。可以看出，經過2 a的濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環境暴露試驗后，7A04和2A97的硬度基本未發生變化。

表4 7A04和2A97硬度（HB）平均值 Tab.4 Average hardness of 7A04 and 2A97

2.5 分析討論

由外觀形貌可以看出，7A04和2A97經過濕熱海洋氣候環境直接暴露試驗后，在腐蝕初期主要表現為典型的點腐蝕特征，隨著暴露試驗時間的延長，點蝕逐漸長大，臨近的點蝕坑相互連接，不斷擴展。到2 a后，7A04樣品表面點蝕已全部連接成片，2A97樣品表面局部區域點蝕也成片發展。該試驗結果與北京科技大學邢士波等人關于“7A04鋁合金在西沙海洋大氣中的腐蝕行為研究”以及北京航空材料研究院駱晨等人關于“熱帶海洋大氣環境中2A97鋁鋰合金的初期腐蝕機理研究”結果一致。根據邢士波等人的研究成果，7A04鋁合金在高鹽霧大氣環境中試驗后，該材料中含有的第二相Al7Cu2Fe，(Al,Cu)6(Fe,Cu)相對鋁基體的電位要正，在局部腐蝕中作為陰極加速其周圍基體的腐蝕；MgZn2相對鋁基體的電位更負，作為陽極會優先發生腐蝕溶解。高鹽霧大氣環境中的Cl－會加速鋁合金表面氧化膜的破裂，從而加速腐蝕[3]。根據駱晨等人的研究成果，2A97在熱帶海洋大氣環境中試驗后，材料中含有2種尺寸較大金屬間化合物，分別是θ相（Al2Cu）和α相（Al-Cu-Fe-Mn-Si）。鋁基體和θ相、α相之間建立起微電偶對，Cu、Fe、Mn等比Al的電極電位正，θ相、α相充當局部陰極，粒子周圍的Al充當陽極，發生陽極溶解。試驗初期，許多θ相粒子處已經萌生局部腐蝕，α相粒子及其周邊區域未發生腐蝕現象。隨著直接暴露試驗時間的延長，α相粒子也發生局部腐蝕[24]。

3 結論

1）7A04鋁合金在萬寧濕熱海洋氣候環境試驗2 a后，表面腐蝕產物隨暴露時間的延長不斷增多，整個表面出現均勻腐蝕，抗拉強度、伸長率下降，硬度無變化。

2）7A04鋁合金在西雙版納濕熱雨林氣候環境試驗2 a后，表面附著苔蘚類物質或灰塵，未出現明顯腐蝕，抗拉強度、硬度無明顯變化；試驗1.5 a后，伸長率出現下降。

3）7A04鋁合金在江津暖濕酸雨氣候環境試驗2 a后，表面出現點蝕，抗拉強度、硬度無明顯變化；試驗1.5 a后，伸長率出現下降。

4）2A97鋁合金在萬寧濕熱海洋氣候環境試驗2 a后，表面腐蝕產物隨暴露時間的延長不斷增多，由點蝕逐步發展成局部腐蝕，抗拉強度、伸長率下降，硬度無變化。

5）2A97鋁合金在西雙版納濕熱雨林氣候環境暴露試驗2 a后，表面附著苔蘚類物質或灰塵，未出現明顯腐蝕，抗拉強度、伸長率、硬度無明顯變化。

6）2A97鋁合金在江津暖濕酸雨氣候環境試驗2 a后，表面未出現明顯腐蝕，抗拉強度、伸長率出現下降，硬度無明顯變化。

7）2A97鋁合金在濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環境中的耐蝕性優于7A04。