腐蚀环境对预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的影响.pdf

世界有色金属2023年6月上208腐蚀环境对预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的影响董煜（上海普斯喆科技有限公司，上海 2 0 0 0 0 0）摘 要：铝合金是飞机制造中机身部分最主要的材料，铝合金材料的腐蚀疲劳性能对于飞机的安全性有着极为显著的影响。本次研究中发现，飞机油箱积水的情况下，对飞机上预腐蚀铝合金的腐蚀疲劳性能影响是最大的，而其余的影响因素从重到轻分别为：盐水环境、潮湿环境以及实验室空气。当材料承受的应力比值达到0.5 或是0.0 6 时，在潮湿环境中材料的疲劳寿命要比在实验室空气中的相同材料要低，而具体降低的程度会随着应力的下降而相应增加；而在低应力水平下，油箱积水环境与盐水环境对材料疲劳寿命的影响几乎等同。当材料承受的应力比值为-1 的情况下，盐水环境下的材料疲劳寿命总是要比油箱积水环境下的材料低一些；而在潮湿环境中的材料疲劳寿命与实验室内的材料相比，会随着材料承受应力的下降而出现下降，且下降的幅度要比应力比值为0.5 或是0.0 6 时要更大一些。关键词：预腐蚀铝合金；腐蚀环境；疲劳性能中图分类号：T G 1 4 6.2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 2 0 8-3Effect of Corrosion Environment on Corrosion fatigue Properties of Precorroded Aluminum AlloysDONGYu(S h a n g h a i P u s i z h e T e c h n o l o g y C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:A l u m i n u m a l l o y i s t h e m o s t i m p o r t a n t m a t e r i a l i n t h e f u s e l a g e o f a i r c r a f t m a n u f a c t u r i n g,a n d t h e c o r r o s i o n f a t i g u e p e r f o r m a n c e o f a l u m i n u m a l l o y m a t e r i a l h a s a v e r y s i g n i f i c a n t i m p a c t o n t h e s a f e t y o f a i r c r a f t.I n t h i s s t u d y,i t w a s f o u n d t h a t i n t h e c a s e o f a i r c r a f t f u e l t a n k w a t e r,t h e i m p a c t o n t h e c o r r o s i o n f a t i g u e p e r f o r m a n c e o f t h e p r e-c o r r o d e d a l u m i n u m a l l o y o n t h e a i r c r a f t i s t h e l a r g e s t,w h i l e t h e o t h e r i n f l u e n c i n g f a c t o r s f r o m h e a v y t o l i g h t a r e:s a l t w a t e r e n v i r o n m e n t,w e t e n v i r o n m e n t a n d l a b o r a t o r y a i r.Wh e n t h e s t r e s s r a t i o o f t h e m a t e r i a l i s 0.5 o r 0.0 6,t h e f a t i g u e l i f e o f t h e m a t e r i a l i n t h e h u m i d e n v i r o n m e n t i s l o w e r t h a n t h a t o f t h e s a m e m a t e r i a l i n t h e l a b o r a t o r y a i r,a n d t h e s p e c i f i c d e g r e e o f r e d u c t i o n w i l l i n c r e a s e w i t h t h e d e c r e a s e o f s t r e s s.A t l o w s t r e s s l e v e l,t h e e f f e c t s o f w a t e r t a n k e n v i r o n m e n t a n d s a l t w a t e r e n v i r o n m e n t o n t h e f a t i g u e l i f e o f m a t e r i a l s a r e a l m o s t t h e s a m e.Wh e n t h e s t r e s s r a t i o o f t h e m a t e r i a l i s -1,t h e f a t i g u e l i f e o f t h e m a t e r i a l i n b r i n e e n v i r o n m e n t i s a l w a y s l o w e r t h a n t h a t i n w a t e r t a n k e n v i r o n m e n t.C o m p a r e d w i t h t h e m a t e r i a l i n t h e l a b o r a t o r y,t h e f a t i g u e l i f e o f t h e m a t e r i a l i n t h e w e t e n v i r o n m e n t w i l l d e c r e a s e w i t h t h e d e c r e a s e o f t h e s t r e s s,a n d t h e d e c r e a s e a m p l i t u d e i s l a r g e r t h a n t h a t w h e n t h e s t r e s s r a t i o i s 0.5 o r 0.0 6.Keywords:p r e c o r r o d e d a l u mi n u m a l l o y;C o r r o s i v e e n v i r o n me n t;F a t i g u e p e r f o r ma n c e收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：董煜，男，生于1 9 9 1年，汉族，本科，工程师，研究方向：金属和高分子材料分析检测方法及实际应用。飞机在高空飞行的过程中，常常会遇到各种腐蚀环境，例如雨水、海水等。飞机生产时所使用的部件几乎全部是金属材质的，而在飞机生产中使用最多的材料就是铝合金1。与传统的钢铁材料相比，铝合金材料在保证结构强度的基础上，有着更低的密度以及更加优良的抗腐蚀性能，更适合飞机生产制造的使用。而在飞机实际服役的过程中，不同的腐蚀环境对于飞机上使用的预腐蚀铝合金的疲劳寿命会产生不同的影响，对于这一问题的研究，也成为相关研究领域的重点课题。本次研究中，也将针对这一问题开展深入的研究，分析不同腐蚀环境对飞机上使用的预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的具体影响，为后续飞机材料的进一步研发提供一定的理论参考，积极推动航空工业的发展2。1 预腐蚀铝合金材料在不同腐蚀环境下的疲劳性能实验1.1 试样本次研究中，针对飞机上使用的预腐蚀铝合金在不同环境下的腐蚀疲劳性能开展了具体的实验。预腐蚀铝合金在室温条件下的力学性能以及材料的具体化学成分具体如下表所示：表1预腐蚀铝合金室温条件下的力学性能E/GPab/MPa/%70.8590.217.92表2预腐蚀铝合金材料的化学成分Zn5.9-6.9Mg2.0-2.7Cu1.9-2.5Zr0.08-0.15Fe0.15Si0.12Mn0.10Cr0.04Ti0.06AlBal为了方便在不同的腐蚀环境中开展实验，需要在实验过程中选用漏斗型轴向疲劳光滑试样。实验中使用的试样是由直径在22mm以下的铝合金棒材加工而成，实验中使用试样的几何形态与实际尺寸具体如下图所示：图1预腐蚀铝合金疲劳试样的几何形态与尺寸图示2023年6月上 世界有色金属 209表3预腐蚀铝合金疲劳寿命实验的具体结果EnvironmentR=0.5R=0.06R=-1nx-sCvnx-sCvnx-sCv盐水环境48054.0910.0250.006431054.1590.0390.009625054.0950.0850.023525045.0660.0480.008720054.6790.0410.007814054.7790.0420.007621055.3270.0400.007115055.1120.0520.008610055.15870.1050.016817055.6740.0420.00599055.8240.0580.01087055.6270.0790.0146实验室空气60054.0770.1420.034131054.0190.1380.034636754.0430.0730.016850064.9700.1380.028046054.6630.1210.026129054.8010.1900.039745065.3110.0340.006537055.2510.1760.033725555.4840.1310.024042065.7340.1250.021934055.8170.1050.018224055.7350.1500.0263潮湿空气环境59053.9910.0690.018849054.0870.1110.027435054.0710.1120.025850064.6310.1850.042444054.4580.1710.038227064.8350.2190.047445065.0920.2230.043234065.1190.2090.043524065.0340.2280.46438065.6750.2130.034633065.5250.2210.044623065.4930.2530.0448油箱积水环境43054.1570.0580.016430054.0650.0430.012923054.0490.0620.013823055.1240.0290.007120054.5870.0870.02149055.1330.0420.007120055.5530.0380.009112055.3820.0490.01157055.3690.0540.011718055.7310.0590.011810055.7760.0470.00886055.7040.0110.0008实验中，试样还需要经过热处理程序，在热处理状态下，试样的微观结构如下图所示：图2预腐蚀铝合金疲劳试样热处理后的微观结构图示在实验正式开始之前，还需要将试样进行预腐蚀的处理，具体方法为：将实验中选用的试样浸泡在浓度为3.5%的氯化钠溶液中，在浸泡72小时之后将试样从溶液中取出，将试样表面产生的腐蚀物质打磨干净。这样，就完成了对试样的预腐蚀处理，能够将试样用于接下来的实验当中。1.2 实验的环境设置根据实验要求，本次实验中共设置4个不同的实验环境，分别为实验室内的空气环境、潮湿空气环境、盐水环境以及油箱积水环境。在实验室空气环境中，环境的整体温度要控制在20 5，空间湿度要在50%以下；而在实验中的盐水环境中，要使用浓度为3.5%的氯化钠溶液，而且，在配置氯化钠溶液时，需要使用去离子水，以避免溶液中的其他离子对实验的影响，保证实验结果的准确性；实验过程中，在潮湿空气环境的设置中，可以采用水蒸发法,使用湿棉球对实验装置内部进行处理，让装置内部的湿度能够在90%以上；实验进行的过程中，可以通过潜水泵构建一个油箱积水的仿真环境，将油箱积水的仿真液体注入到实验装置中，进行不间断的循坏，模拟真实的油箱积水环境。1.3 实验中的主要操作内容实验需要在MTS810-100kN电液伺服材料疲劳试验机上具体进行，实验进行时，需要对装置施加轴向应力控制，装置的静态拉向数值要能够保证其具有0.20%的相对误差，动态条件下的拉力数值的相对误差要控制在1.86%。在实验正式开始之前，我们已经对实验中的各项需要使用的材料进行了先期的处理，在实验进行时，加载的实际频率要设定为10Hz，具体加载的波形是正弦波，材料承受的应力数值比分别设定为-1、0.5、0.06，在以上三项应力数值比的基础条件下，每一项数值均应用四种不同的应力进行具体的测试。实验中使用的腐蚀装置是实验中自行制作的介质盒，在实验的具体操作中，要将试样的工作段全部浸入到各项腐蚀环境当中，以保证实验流程与试样实际工作环境的一致。关于实验结果数据的汇总，可以具体使用成组法，首先将试样的中指S-N曲线敲定。而后，再进行各种具体实验数据结果的观测记录。2 实验的各项结果为了对处于不同环境下的铝合金材料的实际抗腐蚀能力进行真正精准的测试，准确判断在不同的环境条件下，铝合金材料本身腐蚀疲劳性能的变化情况，以进一步明确所处环境对材料的抗腐蚀能力的实际性的影响，本次研究中为此进行了大规模的实验、在具体的实验中，首先将实验中的应力条件设定为均等值，对在所受应力一致的前提下，在不同的环境工作的情况下，铝合金材料的实际腐蚀疲劳寿命的差异进行具体的研究与分析。在一般的情况下，材料的结构疲劳寿命会出现对数正态分布的情况，在受到腐蚀的情况下，只会使材料本身的疲劳寿命出现降低，而材料原本的疲劳寿命数值的概率分布规律则不会因为环境的变化而出现变化，进行实验中各项数据的处理时，要保证实验中使用的实验材料数量能够真正满足Y=95%的实际需求。具体的实验数据结果如下表3所示。3 实验结果讨论3.1 材料的疲劳寿命本次研究中，针对铝合金材料在不同环境中的疲劳寿命的差异进行了统一的对比分析。结果显示，当材料处于实验室空气环境中时，材料的疲劳寿命的具体数据与在潮湿空气环境中的材料相比较，展现出比较明显的分散性，当材世界有色金属2023年6月上2101李 浩.航 空 铝 合 金 腐 蚀 疲 劳 特 性 研 究 D.中 国 民 用 航 空 飞 行 学院,2022.2李斌,董丽虹,王海斗,周永欣,高冲.航空航天铝合金腐蚀疲劳研究进展J.表面技术,2021,50(07):106-118.3夏 耘,王 勇 刚.铝 合 金 腐 蚀 疲 劳 研 究 进 展 J.轻 合 金 加 工 技术,2018,46(10):15-19+42.4周松,许良,回丽,王磊,马少华,韩放.不同腐蚀环境下高强铝合金腐蚀行为J.中国机械工程,2017,28(16):2000-2007.5崔腾飞.应力与环境因素耦合对铝合金耐久性能的影响D.西北工业大学,2017.6叶作彦.新型铝合金的腐蚀行为及表面改性的影响D.西北工业大学,2015.7李旭东,吕航,穆志韬.基于腐蚀损伤表征参数的铝合金预腐蚀疲劳裂纹扩展修正模型J.环境技术,2014,32(06):11-13.8马少华,张旭,回丽,杨长泽.油箱积水环境对预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的影响J.材料科学与工程学报,2014,32(05):750-754.9郭禹彤.预腐蚀损伤铝合金环境小裂纹行为及寿命预测研究D.沈阳航空航天大学,2014.10 孙辽.铝合金腐蚀形貌与剩余疲劳寿命研究D.南京航空航天大学,2013.11 孟祥琦.铝合金材料的应力腐蚀及腐蚀疲劳特性实验研究D.上海交通大学,2012.12 回丽,周松,许良,马少华,王岩,张莹莹.盐水环境对预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的影响J.航空材料学报,2012,32(03):73-78.料所承受的应力逐渐降低的情况下，这种分散性的表现就更加的显著。从实验结果中能够明显的看到，当材料所承受的应力相对较低时,材料本身的疲劳寿命会有明显的延长现象,这就使得材料在局部位置上的微观形变程度有更进一步的缩小,进而让材料裂纹萌生以及后续的发展变得更加的缓慢,另外，在同等的时间内，所承受的应力相对较低的材料裂纹的实际尺寸也会有更进一步的缩小,而材料本身裂纹组织的出现，与材料内部的微观结构、某一个位置的缺陷以及材料工作的实际环境等一系列因素都有着很大的关联，在这种情况下，实验数据分散性的扩大就得到了合理的解释。而当实验用铝合金置于盐水以及油箱积水中时，实验结果数据则体现出更加明显的集中化特征。这是因为盐水与油箱积水中,有能够加速铝合金材料腐蚀速率的物质,这些物质作用于铝合金表面，会进一步加速材料本身裂纹的扩展,将材料裂纹萌生的阶段时长进一步的压缩,是这一部分占据材料整体疲劳寿命的比例进一减少,由此导致此项数据结果的集中3-5。通过对实验结果的观察能够看到：在不同环境中的铝合金材料，受到环境因素对材料疲劳寿命的影响高程度由大到小进行排列分别是：油箱积水、盐水、潮湿空气和实验室空气，这一结果与当前民用客机结构环境分类的根据原则有着高度的一致性。实验室空气环境是科学理论上最为理想的环境，实验室空气中的各种污染物数量要更少，甚至是没有，而且实验室空气的温度与湿度也更为适中6。这种环境下，铝合金的腐蚀速率会相对比较慢，对材料的疲劳寿命也不会造成很大的影响。而当材料处于潮湿的空气中时，空气中的水蒸气会直接对材料表面产生影响，在材料表面生成一层原子氢,这种物质往往有着比较大的活性，很容易导致铝合金氢脆现象的产生，还会导致材料的应力集中问题,在这种情况下，材料的腐蚀速率就要更快一些7，8。而当铝合金材料浸没于盐水中时，盐水中大量的氯离子会作用于材料的表面，将铝合金材料表面比较致密的钝化膜彻底破坏，让材料本身直接与高腐蚀性的盐水发生接触，从而使材料腐蚀的速率进一步的增长，而且增加的幅度极大。而在油箱积水中也会有大量氯离子，除此之外，其中还会存在一定量的硫酸根离子以及一些其他的化学性质活泼的金属离子，这些物质都会对材料的疲劳寿命产生极大的影响，因而油箱积水对于材料的疲劳寿命的影响是所有环境中最大的9。在实验中，当应力比值达到0.5或是0.06时，盐水环境以及油箱积水环境下的材料疲劳寿命曲线在经过N=105循环次数后会达到几乎均等的值；这一结果充分表明在应力较低的情况下，这两种环境对与材料本身的疲劳寿命所产生的影响程度是几乎均等的。而当应力比值达到-1时，在盐水环境中的材料的疲劳寿命相比较于在油箱积水环境中的材料的疲劳寿命总要低一些。在拉-拉疲劳时,潮湿空气环境中的铝合金材料的疲劳寿命会较实验室空气环境下的铝合金材料有进一步的降低,降低的具体幅度会随着材料所承受应力的降低而不断地增大，在拉-压疲劳的情况下,潮湿空气环境中的铝合金材料的疲劳寿命与实验室空气环境下的铝合金材料相比，材料的疲劳寿命会随着材料所承受应力的下降而下降,具体下降的幅度相对要更大一些10。3.2 材料疲劳断口的形态与样貌本次研究中，利用电子显微镜对在不同条件下的材料进行了细致的观察，具体的观察结果如下图所示：图3预腐蚀铝合金疲劳试样热处理后的微观结构图示从上图中能够看到,在不同的腐蚀环境中，铝合金材料在受到腐蚀后，疲劳裂纹形成的位置大致是相同的,所有材料裂纹形成的位置都在表面点蚀处,这一点充分说明了预腐蚀损伤对于材料本身的疲劳寿命会造成一定程度的影响,而材料在受到腐蚀时，在具体腐蚀的位置出现了应力集中的现象,而这一现象的出现又让材料裂纹的生成与发展的速度进一步的加快，从而加速了材料本身的崩坏11。而且更重要的是，材料上的裂纹一旦出现，那么材料所承受的应力会全部向这一点集中，导致更加严重的问题12。4 结语通过本次研究能够发现，当飞机出现油箱积水的问题时，机身上所应用的铝合金材料的腐蚀速率是最大的。此外，在盐水环境中，铝合金材料受腐蚀的速率也要更快一些。基于这一点，本次研究中认为，未来飞机生产制造中，要加强对于油箱积水故障控制的能力，着重提升机身材料的耐盐碱能力，以提高飞机机身材料对于高盐环境的耐受能力。