水下訓練用艙外航天服（以下簡稱水下訓練服）是航天員在地面水下實驗室模擬失重狀態進行出艙活動任務訓練的專用航天服[1]。為保證訓練效果,水下訓練服是在“飛天”艙外航天服基礎上進行設計的,硬結構為某牌號鋁合金薄壁殼體,狀態基本保持一致。鋁合金薄壁結構在服役過程中,在持續內壓力作用下,腐蝕風險顯著增加[2-3],出現了微泄漏問題。水下訓練服訓練保障任務多,但研制成本極高,安全性、可靠性指標要求嚴,針對性的對其進行故障模式與失效機理研究,探明失效機理,提出有效的防護措施,對延長水下訓練服使用壽命,降低訓練成本,提高訓練安全性、可靠性和穩定性都十分必要。 

筆者結合水下訓練服硬結構實際使用過程中出現的微泄漏問題,采用鋁合金試樣,在實驗室條件下模擬水下訓練服實際使用時遇到的干濕交替、恒應力等工況,通過表面腐蝕形貌觀察、拉伸性能測試、斷口分析等方法,探明了薄壁結構的故障模式與失效機理,以期為后續水下訓練服硬結構的腐蝕防護優化設計提出依據。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

采用與水下訓練服硬結構生產為同批次的某牌號Al-Mg合金板材作為試樣材料,試樣尺寸為1.5 mm×20 mm×150 mm。 

1.2   試驗方法

在干濕交替實驗箱中進行應力腐蝕試驗。根據地面訓練水下實驗室水質條件模擬水下訓練服使用的實際工況（以下簡稱模擬水下訓練服工況）,濕態環境介質為含0.3 mg/L氯離子,pH為8的水溶液。加載條件：采用兩點彎曲法,根據GB/T 15970.2-2000《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗　第2部分：彎梁試樣的制備和應用》,恒定施加100 MPa的應力載荷（參考水下訓練服硬結構的實際平均受力）。試驗過程：將鋁合金試樣在濕態環境中全浸潤10 min然后置于干態空氣中50 min,作為一個周期,交替循環,箱體溫度保持30 ℃,相對濕度為80%~90%,試驗時間分別為7,21,35,42 d。 

采用Nova NanoSEM450型場發射掃描電子顯微鏡觀察腐蝕試驗后試樣的表面形貌。根據HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗方法》,采用MTS Landmark 100型材料拉伸試驗機對腐蝕不同時間的鋁合金試樣進行拉伸-斷裂力學性能測試,拉伸速率為5 mm/min,試驗后分析試樣的抗拉強度,并采用掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。 

2.   結果與討論

2.1   表面腐蝕形貌

如圖1所示：試驗7 d后,鋁合金試樣表面逐漸出現深度較淺的點蝕形貌；試驗21 d后,表面點蝕密度與深度逐漸增加,在點蝕坑周圍出現腐蝕產物堆積,點蝕坑已有一定的深度；試驗35 d后,隨著腐蝕坑深度的擴展,在應力加載的作用下,試樣表面沿著晶粒延長方向形成裂紋,腐蝕坑和裂紋周圍都生成了乳白色的腐蝕產物；試驗42 d后,試樣表面腐蝕程度進一步加重,點蝕坑周圍微裂紋數量增加,且在進一步擴展,點蝕坑間出現貫穿裂紋并逐漸相交,形成網狀結構的應力腐蝕形貌。結果表明,該試樣的表面腐蝕形貌與鋁合金在含Cl-環境中的腐蝕形貌相符。 

圖  1  鋁合金試樣在模擬水下訓練服工況下經不同時間應力腐蝕試驗后的表面腐蝕微觀形貌

Figure  1.  The surface corrosion morphology of aluminum alloy specimens after different periods of time stress corrosion tests under simulated underwater training conditions

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電解質溶液中存在能破壞鈍化膜活性的Cl-,點蝕是由活化陰離子吸附在表面鈍化膜中的某些缺陷處引起的。當達到點蝕電位時,表面膜薄弱區域的電場強度較高,使Cl-穿透薄膜形成氯化物。鈍化膜局部區域被破壞,膜破損區域的金屬基體成為陽極,其電流高度集中,未破損的膜成為陰極,形成腐蝕電池加速腐蝕,形成蝕孔[4]。當蝕孔內的氧耗盡,孔內只進行陽極反應,很快就積累了帶正電的金屬離子,并發生如式（1）所示的反應,形成的自催化作用加速了腐蝕進程。 

應力對點蝕的萌生和生長起到誘導和推動作用[5]。隨著試驗周期的延長,點蝕越來越密集,點蝕坑不斷向縱深方向發展,腐蝕逐漸加重。在蝕坑內部應力集中的作用下,裂紋在點蝕坑處萌生,且裂紋數量逐漸增加[6]。隨著試驗的進行,裂紋進一步擴展,出現貫穿的趨勢,最終導致材料斷裂。 

2.2   拉伸性能

從圖2可以看出,隨著試驗的進行,試樣的抗拉強度在不斷降低。由表1可知,經7,21,35,42 d應力腐蝕試驗后,鋁合金試樣的抗拉強度相比材料進廠復驗時的分別下降4.24%、6.77%、11.65%、13.55%,說明隨著腐蝕時間的延長,材料的抗拉強度逐漸下降[7]。 

圖  2  在模擬水下訓練服工況下經不同時間應力腐蝕試驗后鋁合金試樣的拉伸力-位移曲線

Figure  2.  The tensile force and displacement curves of aluminum alloy samples after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

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表  1  不同時間應力腐蝕試驗后鋁合金試樣的抗拉強度及其損失率

Table  1.  Tensile strength and its loss rate of aluminum alloy samples after stress corrosion test at different periods of time

試驗時間/d	抗拉強度/MPa	抗拉強度損失率/%
0	347.01	—
7	332.29	4.24
21	323.51	6.77
35	306.69	11.65
42	300.59	13.55

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2.3   斷口形貌

由圖3可見：未腐蝕的鋁合金試樣斷口亞表面位置韌窩較多,且分散較為均勻,為典型的韌性斷裂形貌,說明鋁合金拉伸過程中受力狀態較為均勻,且力學性能較好；經過7 d腐蝕試驗后,試樣斷口上有明顯的點蝕坑,點蝕坑周圍和近表層區域呈塊狀斷面,遠離點蝕坑的區域有明顯的頸縮現象,斷口表面分布著較多的韌窩,斷面上發生了明顯的塑性流動；經過21 d腐蝕試驗后,試樣出現了明顯“V”形塊狀斷面,“V”形斷面與點蝕坑的形狀吻合,說明斷口位置由于點蝕作用發生力學性能下降,在拉伸應力下萌生裂紋并迅速擴展,最終誘發斷裂失效；經35 d和42 d腐蝕試驗后,隨著腐蝕時間的延長,點蝕坑尺寸逐漸增大,試樣的塊狀斷面面積逐漸增大,說明點蝕坑對斷口的影響進一步加深。 

圖  3  在模擬水下訓練服工況下經不同時間應力腐蝕試驗后鋁合金試樣的拉伸斷口形貌

Figure  3.  Tensile fracture morphology of aluminum alloy specimen after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

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綜上所示,隨著腐蝕試驗時間的延長,點蝕坑越來越深,對鋁合金試樣斷口的影響逐漸加深,以點蝕坑為中心向周圍輻射的斷面面積逐漸增大,這與拉伸試驗結果相吻合。可以推斷,隨著腐蝕試驗時間的延長,材料抗拉強度不斷下降,在點蝕坑處會萌生裂紋,在恒應力的作用下,裂紋擴展最終導致試樣斷裂。 

3.   結論

（1）水下訓練服鋁合金薄壁結構在使用過程中易發生點蝕,點蝕是造成基體材料抗拉強度下降的主要原因,在各種工況的應力（充壓、裝配等）作用下,點蝕坑處萌生微裂紋,從而在實際使用過程中出現的微泄漏問題。 

（2）針對上述問題,提出以下建議：對于裸露在水槽中的水下訓練服薄壁結構,需要增加陽極化或緩蝕劑處理工藝進行防護；對于使用中出現磕碰破壞陽極化層的部位,及時采用硬膜緩釋劑進行修復；增加水下訓練服薄壁承壓結構的厚度；在使用后增加純凈水沖洗操作,去除金屬表面殘留的Cl-,并快速干燥,嚴格控制存放環境的溫度和濕度。