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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：

航空鋁合金的應用

鋁合金具有比強度高、加工性能好及成本低等優點，在航空航天、船舶、汽車及建筑工業得到了廣泛應用。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構材料的主要選擇。隨著航空工業的發展，鈦合金、復合材料等逐漸應用于高性能軍機和民機的關鍵部件，但鋁合金仍然是商用飛機機艙、機翼、支撐結構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、設計和使用經驗，都保證了鋁合金在航空工業中的廣泛使用；同時，新型高性能鋁合金的開發和鋁合金在飛機上應用的重要進展，都確保了鋁合金相對于其他材料的競爭優勢。據統計，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境，如鹽霧、濕氣以及局部冷凝水等。在腐蝕介質和載荷的共同作用下，鋁合金容易發生晶間腐蝕、剝蝕、應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的腐蝕機理，一直是航空材料技術人員和腐蝕防護技術人員研究和關注的熱點。

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部甚至穿透的孔蝕形態。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大很多，形成大陰極 - 小陽極的加速作用導致腐蝕向縱深發展。圖 3 所示為鋁合金發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展，可能成為疲勞源而導致結構的疲勞壽命大幅度降低，而且點蝕難以預測和檢查，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境中沿著或緊挨著金屬的晶粒邊界發生和發展的腐蝕破壞現象。鋁合金晶界的物理化學狀態與晶粒內部不同，在特定的腐蝕介質中，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，沿晶界向內發展，使晶粒間的結合力喪失直至整個金屬由于晶界破壞而完全喪失力學性能。圖 4（a）為鋁合金發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，特征在于沿著平行于合金型材表面的晶界橫向發展，表現形式包括剝皮、鼓泡甚至分層等。剝蝕會導致鋁合金強度和塑性的大幅下降，從而降低鋁合金結構的使用壽命。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（出現織構現象），晶界趨向于分布在一個平面內，為沿晶腐蝕提供了連續的發展空間。熱處理可能會使鋁合金產生晶界陽極通道，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物 Al（OH） 3 的產生會使晶界受到張應力，張應力的方向一般沿鋁型材表面法向，隨著腐蝕產物的積累張應力逐漸增大，最終使已經失去與基體之間結合力的晶粒向外鼓起，出現所謂“楔入效應”撐起未受腐蝕的晶粒，從而引起鼓泡甚至分層。圖 4（b）為鋁合金發生剝蝕鼓泡分層后的截面形貌。

應力腐蝕

應力腐蝕開裂是指受應力作用的金屬材料在某些特定的介質中，由于腐蝕介質和應力的協同作用而產生的滯后開裂或斷裂現象。圖 5 所示為2E12鋁合金應力腐蝕裂紋的截面形貌。

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

鋁合金的局部腐蝕行為與其微觀組織的關系

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，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生沉淀相析出，析出的沉淀相阻礙位錯運動，產生強化效果。沉淀相的析出使得鋁合金的強度提高，但同時導致鋁合金在微觀組織上出現不均勻性，當處于腐蝕環境中時，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，不同時效狀態的鋁合金具有不同的微觀組織形態，對應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的腐蝕敏感性變化。在峰時效狀態，沉淀相從過飽和固溶體內部析出，在晶粒內部形成細小彌散分布的析出相，對鋁合金產生強化作用，該狀態的鋁合金強度達到峰值。同時，在該狀態下，晶界形成了細小且連續分布的晶界沉淀相，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腐蝕，導致該狀態的鋁合金對晶間腐蝕或應力腐蝕敏感；隨著時效過程繼續，鋁合金到達過時效狀態，合金元素進一步析出，晶內析出相逐漸長大，對鋁合金的強化效果減弱，導致鋁合金強度較峰時效狀態降低，同時晶界沉淀相進一步長大，變得不連續，該狀態的鋁合金由于晶內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；過時效狀態后繼續時效處理，晶內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，沉淀相周圍溶質元素貧化，導致沉淀相與周圍鋁基體存在電位差，該狀態的鋁合金一般對點蝕敏感。

鋁合金微觀組織的優化方法從提高鋁合金局部腐蝕耐蝕性的要求來說，希望鋁合金內部微觀組織盡量均勻，在發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，但該狀態下晶內析出相已開始粗化，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。為了協調或解決這種矛盾，人們開發了多級時效等新的時效制度。常規的雙級時效處理是先進行低溫預時效，然后進行高溫時效。低溫預時效使析出相成核，高溫時效使析出相穩定析出，這種時效處理打破了晶界析出相的連續性，同時晶內析出相也比過時效狀態細小，所以該狀態的鋁合金強度優于過時效，耐蝕性優于峰時效，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的強度同時，擁有過時效狀態的抗應力腐蝕性能。

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