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科技論壇 | 淺談航空鋁合金的局部腐蝕行為與微觀組織的關(guān)系

2018-02-08 16:38:34 作者：葉作彥吳志勇龍飛來源：中國工程物理研究院機械制造工藝研究所分享至：

航空鋁合金的應(yīng)用

鋁合金具有比強度高、加工性能好及成本低等優(yōu)點，在航空航天、船舶、汽車及建筑工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。為提高飛機材料的比強度，從 20 世紀 30 年代起，鋁合金一直是飛機結(jié)構(gòu)材料的主要選擇。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金、復(fù)合材料等逐漸應(yīng)用于高性能軍機和民機的關(guān)鍵部件，但鋁合金仍然是商用飛機機艙、機翼、支撐結(jié)構(gòu)件和軍用運輸機貨艙的首選材料。良好的綜合性能，成熟的生產(chǎn)、設(shè)計和使用經(jīng)驗，都保證了鋁合金在航空工業(yè)中的廣泛使用；同時，新型高性能鋁合金的開發(fā)和鋁合金在飛機上應(yīng)用的重要進展，都確保了鋁合金相對于其他材料的競爭優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，在具有代表性的先進民用飛機中（如圖 1），波音 777 客機上鋁合金的用量占總重的 70%，A380 空客飛機上鋁合金的重量比例達 61%（圖 2 所示為其使用鋁合金位置示意），我國新發(fā)展的大型客機 C919 鋁合金用量也達到了65% 以上。

飛機服役過程中會不可避免地接觸腐蝕環(huán)境，如鹽霧、濕氣以及局部冷凝水等。在腐蝕介質(zhì)和載荷的共同作用下，鋁合金容易發(fā)生晶間腐蝕、剝蝕、應(yīng)力腐蝕以及腐蝕疲勞等局部腐蝕破壞，對飛機安全造成威脅。鋁合金的局部腐蝕行為以及相應(yīng)的腐蝕機理，一直是航空材料技術(shù)人員和腐蝕防護技術(shù)人員研究和關(guān)注的熱點。

航空鋁合金的局部腐蝕行為

點蝕

點蝕是一種腐蝕集中在金屬表面很小范圍并深入到金屬內(nèi)部甚至穿透的孔蝕形態(tài)。鋁合金在空氣中容易形成鈍化膜，當鈍化膜局部遭到破壞時，露出的鋁合金基體和其他位置的氧化膜形成氧化 - 活化電池，氧化膜為陰極而且面積比局部活性區(qū)大很多，形成大陰極 - 小陽極的加速作用導(dǎo)致腐蝕向縱深發(fā)展。圖 3 所示為鋁合金發(fā)生點蝕后的表面形貌。點蝕一旦形成，就會因閉塞腐蝕電池作用加速發(fā)展，可能成為疲勞源而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大幅度降低，而且點蝕難以預(yù)測和檢查，是威脅航空鋁合金安全使用的重要隱患。

晶間腐蝕與剝蝕

晶間腐蝕是金屬在特定的腐蝕環(huán)境中沿著或緊挨著金屬的晶粒邊界發(fā)生和發(fā)展的腐蝕破壞現(xiàn)象。鋁合金晶界的物理化學(xué)狀態(tài)與晶粒內(nèi)部不同，在特定的腐蝕介質(zhì)中，會由于微電池作用而引起局部選擇性腐蝕破壞，這種局部破壞是從表面開始的，沿晶界向內(nèi)發(fā)展，使晶粒間的結(jié)合力喪失直至整個金屬由于晶界破壞而完全喪失力學(xué)性能。圖 4（a）為鋁合金發(fā)生晶間腐蝕后的截面形貌。

剝蝕是變形鋁合金的一種特殊腐蝕形態(tài)，特征在于沿著平行于合金型材表面的晶界橫向發(fā)展，表現(xiàn)形式包括剝皮、鼓泡甚至分層等。剝蝕會導(dǎo)致鋁合金強度和塑性的大幅下降，從而降低鋁合金結(jié)構(gòu)的使用壽命。一般情況下，纖維狀顯微組織和適宜的腐蝕介質(zhì)是引起鋁合金剝蝕的必要條件。

在材料的鍛造或軋制過程中，晶粒被拉長（出現(xiàn)織構(gòu)現(xiàn)象），晶界趨向于分布在一個平面內(nèi)，為沿晶腐蝕提供了連續(xù)的發(fā)展空間。熱處理可能會使鋁合金產(chǎn)生晶界陽極通道，當晶間腐蝕沿著有強烈方向性的扁平晶粒組織進行時，比容大于基體金屬的不溶性腐蝕產(chǎn)物 Al（OH） 3 的產(chǎn)生會使晶界受到張應(yīng)力，張應(yīng)力的方向一般沿鋁型材表面法向，隨著腐蝕產(chǎn)物的積累張應(yīng)力逐漸增大，最終使已經(jīng)失去與基體之間結(jié)合力的晶粒向外鼓起，出現(xiàn)所謂“楔入效應(yīng)”撐起未受腐蝕的晶粒，從而引起鼓泡甚至分層。圖 4（b）為鋁合金發(fā)生剝蝕鼓泡分層后的截面形貌。

應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕開裂是指受應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用而產(chǎn)生的滯后開裂或斷裂現(xiàn)象。圖 5 所示為2E12鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋的截面形貌。

通常，在某種特定的腐蝕介質(zhì)中，材料在不受應(yīng)力時腐蝕速度很小，而當受到一定的拉伸應(yīng)力（可遠低于材料的屈服強度）時，經(jīng)過一段時間后，即使是塑性很好的金屬也會發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致了航空結(jié)構(gòu)、石油鉆井平臺、化工設(shè)備中的許多災(zāi)難性事故。自從鋁合金發(fā)明以來，其應(yīng)力腐蝕開裂問題就一直受到人們的關(guān)注。

鋁合金的局部腐蝕行為與其微觀組織的關(guān)系

航空鋁合金一般通過沉淀硬化來獲得高強度，需要進行固溶 - 時效處理。鋁合金被加熱到固溶溫度保持一定時間，合金元素固溶到鋁基體內(nèi)，然后迅速冷卻，得到過飽和固溶體；過飽和固溶體在常溫下或者加熱到一定溫度時會發(fā)生沉淀相析出，析出的沉淀相阻礙位錯運動，產(chǎn)生強化效果。沉淀相的析出使得鋁合金的強度提高，但同時導(dǎo)致鋁合金在微觀組織上出現(xiàn)不均勻性，當處于腐蝕環(huán)境中時，沉淀相和鋁基體由于存在電位差形成微小腐蝕電池，通過電化學(xué)作用加速鋁合金的局部腐蝕速率。

在時效處理過程中，沉淀相有一個逐漸析出和長大的過程，不同時效狀態(tài)的鋁合金具有不同的微觀組織形態(tài)，對應(yīng)的局部腐蝕敏感性也不同。圖 6 所示為鋁合金時效過程中的微觀組織變化過程及相應(yīng)的腐蝕敏感性變化。在峰時效狀態(tài)，沉淀相從過飽和固溶體內(nèi)部析出，在晶粒內(nèi)部形成細小彌散分布的析出相，對鋁合金產(chǎn)生強化作用，該狀態(tài)的鋁合金強度達到峰值。同時，在該狀態(tài)下，晶界形成了細小且連續(xù)分布的晶界沉淀相，不論晶界沉淀相是陰極相（如 Al 2 Cu 等）還是陽極相（如 MgZn 2 等），都會因形成電偶腐蝕加速作用，造成晶界或晶界沉淀相的連續(xù)腐蝕，導(dǎo)致該狀態(tài)的鋁合金對晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕敏感；隨著時效過程繼續(xù)，鋁合金到達過時效狀態(tài)，合金元素進一步析出，晶內(nèi)析出相逐漸長大，對鋁合金的強化效果減弱，導(dǎo)致鋁合金強度較峰時效狀態(tài)降低，同時晶界沉淀相進一步長大，變得不連續(xù)，該狀態(tài)的鋁合金由于晶內(nèi)沉淀相分布相對均勻且晶界沉淀相分布離散，局部腐蝕耐蝕性有所提高，一般對局部腐蝕不敏感；過時效狀態(tài)后繼續(xù)時效處理，晶內(nèi)和晶界沉淀相都進一步長大，形成粗大并離散分布的沉淀相，鋁合金的強度進一步降低，而且由于合金元素向沉淀相富集，沉淀相周圍溶質(zhì)元素貧化，導(dǎo)致沉淀相與周圍鋁基體存在電位差，該狀態(tài)的鋁合金一般對點蝕敏感。

鋁合金微觀組織的優(yōu)化方法從提高鋁合金局部腐蝕耐蝕性的要求來說，希望鋁合金內(nèi)部微觀組織盡量均勻，在發(fā)生腐蝕時不會形成局部腐蝕電池加速作用，但航空鋁合金一般需要通過沉淀硬化來增加強度，析出相的出現(xiàn)使得鋁合金的組織不可能完全均勻。從鋁合金單級時效過程中微觀組織的變化過程來看，過時效形成的較為均勻的晶內(nèi)析出相 + 較粗大離散分布的晶界析出相這種微觀組織更有利于提高局部腐蝕耐蝕性，但該狀態(tài)下晶內(nèi)析出相已開始粗化，合金強度較峰時效降低 15% 左右，說明鋁合金的強度和耐蝕性存在一定的矛盾。為了協(xié)調(diào)或解決這種矛盾，人們開發(fā)了多級時效等新的時效制度。常規(guī)的雙級時效處理是先進行低溫預(yù)時效，然后進行高溫時效。低溫預(yù)時效使析出相成核，高溫時效使析出相穩(wěn)定析出，這種時效處理打破了晶界析出相的連續(xù)性，同時晶內(nèi)析出相也比過時效狀態(tài)細小，所以該狀態(tài)的鋁合金強度優(yōu)于過時效，耐蝕性優(yōu)于峰時效，在強度損失不大的情況下明顯改善了晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性。更先進的回歸過時效處理制度在鋁合金峰時效后，在介于峰時效溫度和固溶溫度之間進行短時間回歸熱處理，再進行峰時效，使得合金保持峰時效狀態(tài)的強度同時，擁有過時效狀態(tài)的抗應(yīng)力腐蝕性能。

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