高強度鋁合金由于其優異的機械性能和耐腐蝕性能，在航空航天領域得到了廣泛的應用。然而，在海洋大氣環境中，高強鋁合金的腐蝕損傷受多種環境因素的影響，包括相對濕度、溫度、濕潤時間、Cl^-沉積速率等，容易發生腐蝕損傷，如點蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕、應力腐蝕開裂等。腐蝕誘發的表面缺陷包括點蝕、均勻腐蝕和剝落腐蝕等，影響材料的力學性能，從而降低高強鋁合金的使用壽命，給飛機帶來安全隱患。

近日，中國海洋大學崔洪芝教授、崔中雨副教授團隊研究了不同環境因素對2524-T3鋁合金在海洋大氣環境中的腐蝕機理及其力學性能的影響，不僅指出了腐蝕形態與力學性能退化之間的聯系，并且進一步量化了腐蝕參數與力學性能退化敏感性之間的關系。相關論文以題為“Atmospheric corrosion and mechanical property degradation of 2524-T3 aluminum alloy in marine environments”發表在腐蝕領域頂刊《Corrosion Science》，論文第一作者為田會云。

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https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112398

在這項工作中，研究人員將2524-T3合金在沿海地區溫帶海洋氣候（青島）、亞熱帶海洋氣候（舟山）、熱帶海洋氣候（西沙）分別進行了為期7天、1個月、3個月、6個月、12個月、18個月、24個月的暴露試驗。對不同暴露時間的試樣進行電化學和力學性能測試。

表1 青島、舟山、西沙站點的海洋大氣環境情況

通過研究不同暴露時間試樣的電化學行為發現，部分樣品在短時間暴露后出現了感應回路。隨著暴露時間的增加，覆蓋在鋁合金表面的腐蝕產物層EIS響應發生變化，闡明電解質/膜/基體界面的演化過程。一般情況下，隨著曝光時間的延長，弧徑先增大后減小，但拐點各不相同。在青島暴露18個月后，合金的弧徑達到最大值，而在西沙暴露1個月后弧徑才達到最大值，說明在西沙形成的腐蝕產物層容易被破壞。此外，兩種表面在EIS響應中也表現出不同的行為，揭示了腐蝕過程的差異。

圖1 2524-T3鋁合金在青島(a、b)、舟山(c、d)、西沙(e、f)不同時間暴露后正面(a、c、e)和反面(b、d、f)電化學阻抗譜

研究團隊發現合金力學性能退化主要由嚴重的剝落腐蝕引起。局部腐蝕主要導致材料延伸率和彈性模量下降。點蝕會使材料的有效截面積減小，引起應力集中，促進材料力學性能的退化。一方面，局部腐蝕導致有效截面積的損失，降低了抗拉強度；另一方面，不均勻表面容易導致應力集中，降低其變形能力和延伸率，造成截面積損失。

圖2 2524-T3鋁合金在西沙不同時段暴露前后的應力-應變曲線(a)，以及彈性模量、屈服強度、抗拉強度(b)，延伸率和斷面收縮率(c)，退化敏感性(d)的計算結果

圖3 2524-T3鋁合金在三個站點暴露不同時間下(a)100個腐蝕缺陷的平均深度(D_ave); (b)去除10個最小和10個最大腐蝕缺陷后的平均深度(D'_ave); (c) 10個最大腐蝕缺陷的平均深度(D_max)

在腐蝕初期，腐蝕產物膜的厚度逐漸增大，腐蝕產物膜由不穩定相變為穩定相，具有一定的保護作用；中間腐蝕階段，薄液膜中存在大量Cl^-，破壞腐蝕產物膜。一旦腐蝕產物膜破裂，就會迅速引起腐蝕。點蝕主要發生在第二相周圍的鋁基體上。氯離子的進一步吸附加速了點蝕的生長，形成了穩定的點蝕。一旦點蝕在晶界處優先萌生，將演變為晶間腐蝕；腐蝕后期，由于腐蝕產物厚度的增加，沉積的大量腐蝕產物表面出現裂紋。腐蝕產物堵塞晶間腐蝕裂紋，最終形成閉塞環境；剝落腐蝕階段，由于晶間腐蝕裂紋尖端形成大量的腐蝕產物，導致較大的晶間楔形力。腐蝕產物體積的增大迫使非腐蝕性基質分離，最終導致剝落腐蝕的發生。

圖4 2524-T3鋁合金在海洋大氣環境中的腐蝕演化過程: (a)早期腐蝕階段; (b)中期腐蝕階段; (c)后期腐蝕階段; (d)剝落腐蝕階段

總的來說，作者研究了2524-T3高強度鋁合金在海洋環境中不同暴露時間和地點的大氣腐蝕和力學性能退化。2524-T3高強鋁合金在高溫、高濕、長表面潤濕時間（TOW）和高Cl-沉積速率的海洋大氣環境中腐蝕最為嚴重。作者明確了局部腐蝕參數與力學性能退化敏感性之間的關系，對2524-T3高強鋁合金在不同大氣環境下的服役壽命預測具有重要的工程實踐意義。（文：小花兒）