四種典型大氣環境下7B50鋁合金 的腐蝕行為研究

鐘勇，蘇艷，羅來正，吳洋,2，楊華明,3，陳喜棟,4，趙全成,5， 吳帥，朱玉琴，舒暢，滕俊鵬

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.黑龍江漠河大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，黑龍江 漠河 165300；3.西藏拉薩大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，拉薩 850100； 4.海南大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南 萬寧 571522； 5.甘肅敦煌大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，甘肅 敦煌 736200）

7B50合金屬于鋁-鋅-鎂-銅系，是可熱處理強化的新型高性能鋁合金。7B50合金是在7050合金的基礎上提高合金中的銅元素含量及Zn/Mg比（鋅在7B50合金中的質量分數比在7050合金中高0.3%），優化合金元素含量（Ti在7B50合金中的質量分數比在7050合金中高0.04%，另含有質量分數為0.0002%～ 0.002%的Be以提高氧化膜的致密性，減輕或防止熔煉時鎂的燒損）研發出來的，具有較高的綜合性能，已在航空航天工程領域得到應用[1-2]。與7050合金相比，7B50合金的沿板材厚度方向的抗拉強度提高約5%，斷裂韌度提高約10%，強度和斷裂韌度的綜合匹配性更優。該合金與美國的7150鋁合金相近，主要有T74、T77等時效狀態。其中，T74狀態為過時效處理，具有良好的抗剝落腐蝕性能；T77狀態為回歸時效處理，具有高的抗應力腐蝕開裂性能及抗剝落腐蝕性能。總體來看，7B50鋁合金具有密度低、加工性能優良、力學性能好、耐腐蝕性能好等優點，可 應用于飛機整體框、梁、接頭等主承力結構。

目前，針對7B50鋁合金的研究主要集中在均勻化處理、組織結構、加工制造、本征力學性能等方面，對其腐蝕性能的研究十分有限。劉維等[3]研究了再時效對過時效7B50合金力學性能和腐蝕性能的影響，指出7B50合金在雙極過時效和再時效的峰值點具有最高的抗剝落腐蝕性能和最低的應力腐蝕敏感性。Xu Xing-chen等[4-6]分析了超聲軋制對7B50-T7751鋁合金表面完整性及腐蝕疲勞行為的影響，研究了氯化鈉溶液中預腐蝕對7B50-T7751鋁合金力學性能的影響，指出7B50-T7751合金中粗大且不連續分布的晶界降低了晶間腐蝕和氫脆敏感性。肖代紅等[7]研究了微量Ag對7B50鋁合金的組織與腐蝕性能的影響，發現微量Ag的添加影響了鑄態合金的組織，降低了擠壓態合金的再結晶程度，同時也降低了時效態合金的抗剝落腐蝕性能。孫擎擎等[8-10]研究了大氣污染物、氯離子濃度、溫度、外加應力、氨基酸等對7B50鋁合金電化學腐蝕性能的影響，獲取了7B50鋁合金在不同腐蝕介質中的電化學腐蝕行為。上述對7B50鋁合金腐蝕現象的研究主要集中在實驗室水溶液環境中，對自然環境下的腐蝕性能研究的報道極少，Zhao Qi-yue等[11]開展了工業海洋和北方半鄉村大氣環境戶外暴露試驗，研究了7B50鋁合金在硫酸陽極氧化處理后的腐蝕行為和腐蝕機理。

對回歸再時效處理后的7B50-T7751和7B50- T77511兩種鋁合金試樣在濕熱海洋、干熱沙漠、寒冷鄉村、暖溫高原四種典型大氣環境下的腐蝕行為進行對比研究，探討了7B50鋁合金在不同大氣環境中的耐蝕性差異，剖析了7B50鋁合金的腐蝕特征及規律，為該類合金的推廣應用和超高強鋁合金及其防護 工藝的研發改進提供了基礎數據支撐。

1 試驗

1.1 試樣

原材料為7B50-T7751軋制板材和7B50-T77511擠壓型材，由西南鋁業（集團）有限責任公司生產，其化學成分見表1。7B50鋁合金T7751狀態和T77511狀態的區別主要在于，前者適用于加工成按規定量進行拉伸的板材、軋制或精整的棒材及模鍛件、鍛環、軋制環（拉伸后不再進行矯直），后者適用于加工成按規定量進行拉伸的擠壓棒材、型材、管材、拉制管材（拉伸后可略微矯直）。

表1 7B50鋁合金的化學成分 Tab.1 Chemical compositions of 7B50 aluminum alloy ω%

試驗前，采用機械加工方式將7B50-T7751軋制板材和7B50-T77511擠壓型材各自分別加工成平板試樣和棒狀拉伸試樣兩種類型。平板試樣尺寸為100 mm×50 mm×(2.7～3.0) mm，用于宏觀腐蝕形貌分析、金相顯微形貌分析和腐蝕深度分析。棒狀拉伸試樣按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的有關規定制備（平行段直徑d=5.0 mm），用于抗拉強度Rm和斷后伸長率A的測試。

1.2 試驗方法

參照GB/T 14165—2008《金屬和合金 大氣腐蝕試驗 現場試驗的一般要求》和GJB 8893—2017《軍用裝備自然環境試驗方法》的相關規定，采用戶外大氣自然環境暴露試驗方法，在濕熱海洋大氣環境的海南試驗站、干熱沙漠大氣環境的甘肅敦煌試驗站、寒冷鄉村大氣環境的黑龍江漠河試驗站、暖溫高原大氣環境的西藏拉薩試驗站開展戶外大氣自然環境暴露試驗。試樣受試面朝南，與水平面呈45°角安裝于試樣架上，直接經受戶外大氣環境的綜合作用，對比研究兩種7B50鋁合金試樣在不同大氣環境中的腐蝕特征和性能演變規律。

1.3 試樣檢測與分析

1）宏觀腐蝕形貌分析。試驗過程中持續目視觀察試樣的宏觀腐蝕形貌，在四種試驗環境中，每種鋁合金分別固定3件平行樣，用于宏觀腐蝕形貌觀測。

2）金相顯微分析和腐蝕深度分析。按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的相關規定，采用Observe.A1m型金相顯微鏡對試驗前后試樣的金相顯微組織和腐蝕深度進行觀察，在試驗周期為0、0.5、1、2、3 a時取樣檢測，每次取1件試樣，在試樣腐蝕明顯處檢測2～6個點。在四種環境的不同周期中，每種鋁合金分別固定1件平行樣，用于金相顯微分析和腐蝕深度分析。

3）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010的相關規定，采用MTS 880電液伺服材料試驗機，測試試驗前后試樣的抗拉強度Rm和斷后伸長率A，在試驗周期為0、0.5、1、2、3 a時取樣檢測，每次檢測5件平行樣。

2 結果與討論

2.1 7B50鋁合金微觀組織結構

圖1是7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金的典型顯微組織。7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金的金相顯微組織均表現為α-Al基體+強化相，晶粒沿壓延方向拉長。然而，兩種鋁合金的強化相尺寸、分布和形狀明顯不同，前者組織存在混晶現象，晶粒較細，強化相分布相對均勻，局部呈帶狀；后者晶粒較粗，強化相沿晶界析出呈細小粒狀。兩種鋁合金的微觀組織結構與其宏觀腐蝕性能密切相關，特別是由于晶界處強化相的電化學活性與基體存在一定差異，可能導致7B50-T77511鋁合金更易發生晶間腐蝕、剝蝕等局部腐蝕現象[12,13]。

2.2 7B50鋁合金腐蝕特征分析

7B50-T7751和7B50-T77511兩種鋁合金試樣暴露在四種典型大氣環境下0.5～3 a的宏觀腐蝕形貌如圖2、圖3所示，主要環境參數見表2。

表2 四個試驗站的主要環境參數 Tab.2 Main environmental parameters of four test sites

圖2 7B50-T7751鋁合金在典型大氣環境中的宏觀腐蝕形貌 Fig.2 Macrocorrosion morphology of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖3 7B50-T77511鋁合金在典型大氣環境中的宏觀腐蝕形貌 Fig.3 Macrocorrosion morphology of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

定期目視檢查發現，7B50-T7751板材暴露于濕熱海洋大氣環境中表現為中度點蝕（試樣表面50%以上面積出現明顯腐蝕，腐蝕點連成片狀趨勢明顯）、伴隨著灰白色腐蝕產物（見圖2a）；在干熱沙漠環境中表現為大量密集黑色腐蝕斑（見圖2b）；在寒冷鄉村和暖溫高溫環境中暴露3年腐蝕不明顯（故圖2中沒有放置7B50-T7751鋁合金在漠河站和拉薩站的宏觀腐蝕形貌照片）。然而，7B50-T77511型材暴露于濕熱海洋大氣環境中則表現為重度點蝕（腐蝕遍布試樣表面，目視腐蝕向縱深發展趨勢明顯），伴隨著灰白色腐蝕產物（見圖3a）；在干熱沙漠環境中與7B50- T7751相同，表現為大量密集黑色腐蝕斑（見圖3b）；在寒冷鄉村和暖溫高溫環境中暴露3 a，只出現輕微點蝕和少量腐蝕黑斑（因宏觀照片在較小尺寸下難以顯現局部腐蝕細節，故圖3中沒有放置7B50-T77511鋁合金在漠河站和拉薩站的宏觀腐蝕形貌照片）。宏觀腐蝕形貌對比表明，7B50鋁合金在濕熱海洋大氣環境的海南站腐蝕最為嚴重，敦煌站次之，在寒冷鄉村和暖溫高溫環境中較為輕微。7B50-T7751板材和7B50-T77511型材在相同典型大氣環境中的耐蝕性也表現出一定差異，前者耐蝕性相對略好。

由表2環境參數數據得知，海南站具有典型的“高溫、高濕、高鹽”環境特征，對7B50鋁合金具有較大的腐蝕危害。由于相對濕度高、氯離子含量高，鋁合金表面易形成電解液膜，導致點蝕發生，加之氯離子對鋁合金氧化膜和腐蝕產物的穿透、吸附作用[14-16]，鋁合金表面生成的腐蝕產物膜較為疏松，對基體的保護作用較弱，隨暴露時間的延長，腐蝕逐漸由點成面，不斷向縱深發展。敦煌站雖然年均相對濕度特別低（僅為41%），但大氣中年均氯離子沉積量比漠河站和拉薩站要高出不少（這與敦煌站所處的鹽堿地環境有關），氯離子的存在促進了敦煌站7B50鋁合金表面點蝕的發生，導致其腐蝕程度明顯比漠河站和拉薩站嚴重。但由于鋁合金表面難以形成有效的連續薄液膜，所以從宏觀形貌上看，7B50鋁合金在敦煌站的腐蝕速率比海南站慢。漠河站和拉薩站大氣較為潔凈，年均溫度和相對濕度均不高，大氣腐蝕性相對較弱，對7B50鋁合金的腐蝕影響較為輕微。

圖4和圖5給出了7B50-T7751板材和7B50- T77511型材在四種典型大氣環境下暴露0.5～3 a的金相顯微形貌，其局部最大腐蝕深度如圖6所示。由圖4—圖6得知，當7B50-T7751板材暴露在濕熱海洋大氣環境時，試樣微觀形貌可見典型的點蝕和晶間腐蝕特征（見圖4a），暴露3 a后局部最大腐蝕深度為166 μm（見圖6a）；在干熱沙漠環境中，其微觀形貌局部可見點蝕和晶間腐蝕特征（見圖4b），暴露3 a后局部最大腐蝕深度為44 μm（見圖6a）；在寒冷鄉村和暖溫高原環境中，試樣暴露3 a后未檢出有腐蝕情況發生（故沒有金相顯微形貌照片）。7B50- T77511型材暴露于四種大氣環境中的微觀形貌均可見點蝕、晶間腐蝕特征（見圖5a—5d，寒冷鄉村和暖溫高原環境中僅局部可見），暴露3 a后四個站的局部最大腐蝕深度分別為141、80、42、29 μm（見圖6b）。另外，海南站和敦煌站試樣的微觀形貌同時表現出明顯的剝蝕特征（見圖5a、5b）。7B50鋁合金金相顯微形 貌和局部最大腐蝕深度的變化印證了其宏觀腐蝕形貌結果，也表明兩種7B50鋁合金在典型大氣環境中的腐蝕特征基本一致，均主要表現為點蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕，且隨著暴露時間的延長，沿晶網狀裂紋向基體內部不斷延伸，發生晶間腐蝕甚至剝蝕的傾向愈發明顯[17-18]。

圖4 7B50-T7751鋁合金在典型大氣環境中的金相顯微形貌 Fig.4 Metallographic micrograph of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖5 7B50-T77511鋁合金在典型大氣環境中的金相顯微形貌 Fig.5 Metallographic micrograph of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖6 7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金在典型大氣環境中的局部最大腐蝕深度 Fig.6 Histogram of local maximum corrosion depth of 7B50-T7751 and 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

2.3 腐蝕對7B50鋁合金力學性能的影響

7B50-T7751和7B50-T77511兩種鋁合金在四種典型大氣環境中暴露試驗后的拉伸性能變化曲線如圖7所示。由圖7可知，7B50-T7751鋁合金在四種典型大氣環境中暴露3 a試驗周期，僅濕熱海洋大氣環境下的抗拉強度下降了5%，其余三種環境中的抗拉強度無明顯變化；斷后伸長率方面，暖溫高原環境下變化較小，其余三種環境下下降較多，濕熱海洋、干熱沙漠和寒冷鄉村大氣環境下分別下降了25%、17%、12%。7B50-T77511鋁合金在四種典型大氣環境中暴露3 a試驗周期，其抗拉強度和斷后伸長率均表現出一定程度的先升后降（這一現象的產生原因還有待進一步分析），斷后伸長率的變化更為明顯。與0.5 a試驗周期相比，在四種大氣環境下暴露3 a后的斷后伸長率分別下降了33%、15%、9%、21%，抗拉強度方面則僅濕熱海洋大氣環境下有小幅下降（與0.5 a相比下降了約4%）。7B50鋁合金力學性能的對比表明，環境腐蝕作用對7B50鋁合金斷后伸長率的影響比對抗拉強度的影響更為明顯，這可能是由于材料表面形成的大量點蝕坑在承受應力時容易產生應力集中，降低了材料的韌性[19-20]。

圖7 7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金在典型大氣環境中的拉伸性能變化曲線 Fig.7 Changing curve of tensile property of 7B50-T7751 and 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment: a) tensile strength of 7B50-T7751; b) tensile strength of 7B50-T77511; c) elongation after fracture of 7B50-T7751; d) elongation after fracture of 7B50-T77511

3 結論

1）7B50鋁合金在濕熱海洋大氣環境中腐蝕最為嚴重，干熱沙漠環境次之，在寒冷鄉村和暖溫高溫環境中腐蝕較為輕微。7B50-T7751板材和7B50- T77511型材暴露在相同大氣環境中時，前者的耐蝕性相對略好。

2）7B50鋁合金在四種典型大氣環境中均主要表現為點蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕，具有明顯晶間腐蝕和剝蝕傾向性。

3）暴露試驗周期為3 a時，7B50-T7751鋁合金在濕熱海洋大氣環境和干熱沙漠大氣環境中的局部最大腐蝕深度分別為166 μm和44 μm；7B50-T77511鋁合金在四種典型大氣環境中的局部最大腐蝕深度分別為141、80、42、29 μm。

4）暴露試驗周期為3 a時，7B50-T7751鋁合金的抗拉強度在濕熱海洋大氣環境中下降了5%，在其余三種環境中無明顯變化；斷后伸長率在濕熱海洋、干熱沙漠和寒冷鄉村大氣環境下分別下降了25%、17%、12%。7B50-T77511鋁合金的抗拉強度和斷后伸長率均表現出一定程度的先升后降，與0.5 a試驗周期相比，斷后伸長率分別下降了33%、15%、9%、21%，在濕熱海洋大氣環境下的抗拉強度下降了約4%。