典型“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片腐蝕防護性能研究

郭祥，趙偉，趙連紅，馮成慧，劉元海

（1.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089；2.中國特種飛行器研究所，結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

隨著工業(yè)化水平的日益提高，單一材料的性能已滿足不了航空裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需求。層狀復(fù)合材料結(jié)合兩種或兩種以上材料的優(yōu)勢，通過合理的防護體系/結(jié)構(gòu)形式和裝配形式，能夠?qū)崿F(xiàn)航空裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能和性能需求，在航空設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)逐漸得到應(yīng)用[1-4]。鋁合金和鈦合金具有較好的機械性能與耐蝕性，其中，鋁合金-鈦合金組合機構(gòu)、鋁合金-結(jié)構(gòu)鋼等組合結(jié)構(gòu)在飛機典型結(jié)構(gòu)上大量使用[5-8]。隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的推行，飛機在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下服役機會逐漸增多，長期面臨高鹽霧、高濕熱等嚴酷腐蝕環(huán)境易導(dǎo)致鋁合金使用部位發(fā)生腐蝕，特別是對于鈦合金-鋁合金混雜結(jié)構(gòu)而言，異種金屬接觸導(dǎo)致電偶腐蝕敏感性高，混雜結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電偶腐蝕[9-11]。導(dǎo)致鈦合金-鋁合金混雜結(jié)構(gòu)快速腐蝕破壞，從而縮短結(jié)構(gòu)件的使用壽命[12-16]。

為增強“鈦-鋁”復(fù)合耳片在腐蝕環(huán)境下的耐腐蝕性能，延長使用壽命[17-19]，選取典型“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片作為研究對象，考慮組合結(jié)構(gòu)的材料、工藝、連接形式、密封和防腐處理措施[20]，開展模擬加速試驗環(huán)境譜下的腐蝕試驗，研究在腐蝕環(huán)境下“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)的腐蝕行為特征和規(guī)律，對于“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)防護體系在航空裝備的使用推廣有重要意義。

1 實驗室加速試驗

1.1 試樣

試驗件為典型“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片，主體材料采用中間層為Ti-6Al-4V鈦合金，上下兩層為7050鋁合金，試驗件的具體腐蝕防護措施如表1所示。典型“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件示意圖詳見圖1。

表1 試驗件腐蝕防護措施

圖1 典型“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件

1.2 實驗條件和方法

通過依據(jù)層狀結(jié)構(gòu)在不同腐蝕環(huán)境下的折算系數(shù)，編制加速試驗環(huán)境譜（加速試驗環(huán)境譜如圖2所示），開展20個試驗周期的“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件實驗室加速腐蝕環(huán)境試驗,試驗件為5件。

圖2 加速試驗環(huán)境譜

1）濕熱暴露試驗：

試驗條件：溫度T=（43±2）℃，相對濕度RH=（95±5）%，暴露時間7 d（168 h）。在濕熱環(huán)境試驗箱中開展試驗，試驗前使用潤滑脂涂抹保護試驗件的軸承，確保軸承不被濕熱環(huán)境腐蝕。將所有試驗件平放在濕熱試驗箱內(nèi)的木質(zhì)支架上。

2）低溫疲勞試驗：

試 驗 條 件：溫 度T=-（53±10）℃，（σmax，σmin）=（80，5）MPa，作用次數(shù)3 000，頻率5 Hz。低溫環(huán)境采用與疲勞試驗機配套的低溫環(huán)境試驗箱協(xié)同實施，針對“鋁-鈦-鋁”單耳三層試驗件的結(jié)構(gòu)特點，采用專用的試驗件夾持夾具（試驗件夾具如圖3所示），確保疲勞載荷和低溫環(huán)境的協(xié)同施加。其中在裝夾試驗件時用玻璃鋼墊墊緊試驗件與夾具之間的縫隙，防止在低溫疲勞試驗過程中因為試驗件與夾具間存在間隙導(dǎo)致試驗件鋁板和鈦板間貼合面密封張開破壞。

圖3 低溫疲勞試驗

3）鹽霧試驗：

試驗條件：①中性鹽霧，溫度T=（35±2）℃，5 %NaCl溶液，pH=7±0.5，時間4 d。②酸性鹽霧，溫度T=（35±2）℃，5 %NaCl溶液，pH=4±0.5，時間3 d。試驗前使用潤滑脂涂抹試驗件的軸承孔進行防護處理。所有試驗件放置在有機玻璃支架上，與垂直方向成（20±5）°。

1.3 測試項目和測試方法

每完成1次循環(huán)（相對于服役1年）后，視情對試驗件進行維護，維護工作包括清洗、補漆等，然后進行詳細檢查，并拍照和記錄，共完成20次試驗循環(huán)，試驗結(jié)果主要測試分析設(shè)備見表2。參照GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》，檢查所有試驗件涂層表面是否存在起泡、銹蝕、剝落、開裂缺陷；按GB/T 9754《色漆和清漆不含金屬顏料的色漆漆膜的20 °、60 °和85 °鏡面光澤的確定》第10部分測定老化前后的光澤，計算失光率；按GB/T 11186《漆膜顏色的測量方法》第2部分顏色測量和第3部分色差計算，采用便攜式分光測色計測量和計算涂層試驗前后的色差值（L值、A值和B值）。在20個循環(huán)后，通過掃描電鏡觀察試驗件的微觀形貌，用能譜儀分析腐蝕產(chǎn)物的成分。

表2 主要檢測設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過20個周期的環(huán)境譜加速腐蝕試驗，“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件除蝕坑外，試驗件均沒有出現(xiàn)斷裂，試驗件腐蝕狀態(tài)詳見圖4。表明通過三層結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗件噴涂AMMS2508緩蝕劑的防腐蝕方案是行之有效的。在長達20個加速腐蝕試驗周期，可有效避免試驗件在腐蝕介質(zhì)與拉伸應(yīng)力的協(xié)同作用下發(fā)生腐蝕疲勞而產(chǎn)生斷裂的情況。

圖4 試驗件腐蝕狀態(tài)

失光率和色差值得大小反映著涂層性能差異。通過對“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件的第1，5，10，15和20周期的失光率和色度計算，詳見表3～7。涂層在濕熱-低溫疲勞-鹽霧的試驗條件下，由于每個周期高低溫和干濕的交替進行，涂層表面反復(fù)收縮膨脹，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力加速了涂層腐蝕破壞。隨著腐蝕加速試驗周期的增加，失光率的色差值均呈現(xiàn)增加趨勢，在第15周期時，涂層出現(xiàn)明顯變色，蝕點增多，蝕坑面積明顯增大。其中在第20周期，試驗件的失光率達到最大值為95.5 %，色差值也達到13.96。對試驗件進行腐蝕等級評定，其中粉化等級和起泡等級在第20周期均達到最大評定等級，分別為5和S5。腐蝕特點呈現(xiàn)蝕點分布廣，沿軸承周圍出現(xiàn)較多的點蝕坑，這些蝕坑的形成是由于氯離子在金屬表面的局部破壞，容易發(fā)生在金屬的承力部位。蝕坑形貌淺而寬，且蝕坑面積最大處達到200 mm2以上，剝落等級達到2（S4）。

表3 試驗件加速腐蝕第1周期后涂層狀態(tài)

表4 試驗件加速腐蝕第5周期后涂層狀態(tài)

表5 試驗件加速腐蝕第10周期后涂層狀態(tài)

表6 試驗件加速腐蝕第15周期后涂層狀態(tài)

表7 試驗件加速腐蝕第20周期后涂層狀態(tài)

附著力的大小是考核漆膜性能的重要指標(biāo)。通過對“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件的第4，8，12，16和20周期附著力進行測試并記錄于表8中。初始狀態(tài)7050鋁合金的附著力平均值為13.74 MPa，Ti-6Al-4V鈦合金的附著力平均值為11.46 MPa。試驗件的附著力變化趨勢如圖5所示。隨加速腐蝕試驗周期的增加，試驗件的附著力大小呈降低趨勢。經(jīng)過20個周期試驗后，附著力的平均值依然在5 MPa以上，表明漆膜的防護效果較好。

表8 試驗件附著力測試記錄表

圖5 試驗件附著力

2.2 實驗結(jié)果分析

針對“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片驗件的腐蝕情況，對試驗件軸承附近的腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物進行分析。金屬塊的長度方向是應(yīng)力拉伸方向，軸承孔周圍是應(yīng)力集中的部位。為了觀察應(yīng)力是否使金屬塊產(chǎn)生了橫向裂紋，因此用金剛石慢速切割機切割鈦合金和鋁合金樣品，確保切割方向與應(yīng)力方向相同，將平行面拋光至1 μm，用SEM-EDS分析腐蝕部位的形貌和腐蝕產(chǎn)物。

腐蝕疲勞強度與材料的耐蝕性有關(guān)，用SEM對“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)復(fù)合耳片試驗件的鋁板和鈦板觀察，鋁板腐蝕區(qū)域出現(xiàn)了較大的腐蝕坑，鋁合金表面的腐蝕產(chǎn)物厚度達到14 μm，且腐蝕面積廣，而鈦合金在鋁合金相同的切割區(qū)域處，幾乎觀察不到腐蝕現(xiàn)象，表明隨著鋁合金的強度的提高，其耐應(yīng)力腐蝕性能下降，而鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性，如圖6所示。合理的選材，可有效改善合金的耐腐蝕疲勞性能。鈦合金材料優(yōu)異的耐蝕性為三層結(jié)構(gòu)提供了強有力的支撐，有效的加強了耐蝕性較差的高強度鋁合金在腐蝕疲勞作用下的力學(xué)性能。

圖6 鋁板和鈦板中心孔應(yīng)力平行面的背散射SEM圖

為進一步研究典型“鋁-鈦-鋁”單耳三層結(jié)構(gòu)試驗件的腐蝕產(chǎn)物，對鋁合金白色的腐蝕區(qū)域進行EDS分析，見圖7。鋁合金表面的腐蝕產(chǎn)物主要成分包括Si、O、Al、Mg，這些成分都是鋁合金塊的組成元素，腐蝕產(chǎn)物主要是鋁合金的氧化物。S來源于鋁合金表面的防護涂料。另外，通過SEM觀察到一個很重要的現(xiàn)象，鋁合金和鈦合金在腐蝕區(qū)域均未觀察到腐蝕疲勞裂紋。表明在加速腐蝕試驗的過程中，鋁合金和鈦合金沒有出現(xiàn)疲勞損傷情況，只在軸承口的邊緣出現(xiàn)電偶腐蝕現(xiàn)象。

圖7 鋁合金腐蝕部位的EDS分析

針對典型“鋁-鈦-鋁”單耳三層結(jié)構(gòu)試驗件進行20個周期的實驗室腐蝕加速環(huán)境試驗，試驗結(jié)束后，5件試驗件均未出現(xiàn)疲勞斷裂，通過微觀形貌觀察，未出現(xiàn)微裂紋。表明了三層結(jié)構(gòu)在腐蝕疲勞方面設(shè)計的合理性。在腐蝕環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下，高強度鋁合金提供較好的力學(xué)性能，鈦合金提供了優(yōu)異的耐蝕性。鈦鋁兩種合金通過合理的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不影響飛機的使用壽命的同時，即節(jié)省了一定的飛機制造

成本，也在飛機機身減重方面有很好的借鑒意義。另外，緩蝕劑對于漆層的腐蝕具有很好的保護作用，在試驗件表面涂緩蝕劑可有效的減輕漆層的腐蝕破壞，但要注意合理使用緩蝕劑的用量，在緩蝕劑使用較少時，反而會加速腐蝕。

3 結(jié)論

通過20個周期的實驗室加速腐蝕試驗，“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)試驗件未出現(xiàn)明顯的腐蝕疲勞破壞，表明“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)腐蝕防護體系具有較好的耐蝕性。得到如下結(jié)論：

1）“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)試驗件的涂層失光率和色差值增幅較大，需要定期日常清理和涂覆緩蝕劑緩解防護體系老化速度；

2）“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)試驗件的軸承附近出現(xiàn)了面積較大的點蝕坑，表明腐蝕環(huán)境下氯離子局部破壞涂層，引起金屬基體發(fā)生點蝕，需要定期在“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)試驗件的軸承區(qū)域涂敷緩蝕劑，減緩承力部位的電化學(xué)侵蝕，以提高“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)整體耐蝕性能。