2A12 鋁合金在EXCO 溶液中腐蝕損傷形貌演化分析

李智，呂勝利，劉轉(zhuǎn)娥，馬君峰

（1. 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710300；2. 西北工業(yè)大學(xué) 無(wú)人機(jī)特種

技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065；3. 航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；

4. 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

2A12 鋁合金是一種高強(qiáng)度硬鋁，具有質(zhì)量輕力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)等航空裝備中得到大量應(yīng)用。大氣環(huán)境中含有多種腐蝕性物質(zhì)，會(huì)造成鋁合金材料的腐蝕損傷，成為飛機(jī)零件失效的重要原因之一。材料的腐蝕行為受多種因素影響，從而呈現(xiàn)出不同的腐蝕類型和損傷特征[1-2]。文獻(xiàn)[3-9]表明，零件的表面粗糙度是影響材料腐蝕行為的重要因素之一。在飛機(jī)各個(gè)零件的加工過(guò)程中，采用了多種不同的冷熱加工工藝，如金屬切削壓力成形焊接等，不同的加工方法使零件表面具有不同的粗糙度。為研究2A12 鋁合金在環(huán)境中的腐蝕損傷演化規(guī)律，明確零件表面粗糙度對(duì)材料腐蝕損傷特征的影響，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室內(nèi)2A12 鋁合金在EXCO 腐蝕溶液中的加速腐蝕實(shí)驗(yàn)[10]。該研究對(duì)于明確2A12 鋁合金的腐蝕損傷機(jī)理具有重要意義，并為合理確定飛機(jī)2A12 鋁合金零件加工的表面質(zhì)量指標(biāo)提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 方法

腐蝕的發(fā)生發(fā)展是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程。在鋁合金材料的實(shí)際服役環(huán)境中，常見(jiàn)的腐蝕類型為點(diǎn)蝕和剝落腐蝕，而剝落腐蝕在發(fā)生的初期階段也表現(xiàn)為點(diǎn)蝕的形態(tài)。為便于研究，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展常溫下2A12 鋁合金材料的加速腐蝕實(shí)驗(yàn)。EXCO（exfoliation corrosion）溶液是強(qiáng)酸性的腐蝕介質(zhì)，表觀pH 值為0.4。文獻(xiàn)[11]指出，EXCO 溶液浸泡可以再現(xiàn)外場(chǎng)出現(xiàn)的腐蝕損傷，是一種合理有效的加速腐蝕試驗(yàn)方法。針對(duì)LYl2CZ 矩形平板試件EXCO 溶液加速腐蝕和青島團(tuán)島大氣暴露試驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法得出對(duì)應(yīng)50%置信水平的加速腐蝕因子為2.60 a/d，即實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕l d 相當(dāng)于外場(chǎng)暴露2.60 a。因此，依據(jù)ASTM(G34-01)標(biāo)準(zhǔn)配制EXCO 溶液作為實(shí)驗(yàn)腐蝕介質(zhì)，其成分見(jiàn)表1。腐蝕溶液體積與試驗(yàn)樣品腐蝕區(qū)域面積之比為30 mL/cm2。

表1 EXCO 溶液的成分及比例

采用線切割工藝，制得2A12-T4 鋁合金板矩形試驗(yàn)件。為便于觀察樣品腐蝕形貌隨腐蝕時(shí)間的演化過(guò)程及表面粗糙度值對(duì)腐蝕損傷的影響，利用3D 掃描成像技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品表面進(jìn)行掃描，取得待腐蝕區(qū)域表面微觀幾何特征數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度值的數(shù)字化定量表征。采用正交實(shí)驗(yàn)方案，以腐蝕時(shí)間表面粗糙度值為控制變量進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。將準(zhǔn)備好的樣品待腐蝕區(qū)域浸沒(méi)于EXCO 溶液中。腐蝕時(shí)間分別控制為246 h，相當(dāng)于在實(shí)際環(huán)境中服役80160240 d。達(dá)到規(guī)定的腐蝕時(shí)間后，取出樣品，觀察腐蝕區(qū)域的宏微觀形貌，分析 2A12 鋁合金材料在EXCO 溶液中的腐蝕損傷演化規(guī)律。觀察不同表面粗糙度樣品腐蝕后形貌的差異，比較分析表面粗糙度對(duì)樣品腐蝕行為的影響。腐蝕坑的深度可用來(lái)反映材料的腐蝕損傷程度。采用激光位移傳感測(cè)量技術(shù)測(cè)量樣品表面蝕坑深度數(shù)據(jù)，作為損傷程度的表征值，以實(shí)現(xiàn)粗糙度值對(duì)樣品腐蝕損傷程度影響的定量研究。

1.2 樣品

選擇厚度為3 mm 的2A12-T4 軋制鋁合金板為實(shí)驗(yàn)材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。采用線切割工藝加工矩形實(shí)驗(yàn)樣品，設(shè)計(jì)尺寸為20 mm×100 mm，邊緣打磨光滑。樣品前端部15 mm 為腐蝕區(qū)域，如圖1 所示。用機(jī)械拋光的方法去除表面包覆層。將試驗(yàn)件分為AB 兩組，并對(duì)將要腐蝕的區(qū)域進(jìn)行不同的表面處理：A 組用500#水砂紙打磨，B 組用500#800#1200#1500#水砂紙逐級(jí)打磨。使用Coherix ShaPix 3D 高精度光學(xué)平面測(cè)量?jī)x對(duì)打磨后試驗(yàn)件掃描成像，取得待腐蝕區(qū)域的微觀幾何特征數(shù)據(jù)，如圖2 所示。該數(shù)據(jù)可表征兩組試驗(yàn)件不同的表面粗糙度。掃描結(jié)果顯示，AB 兩組試驗(yàn)件的表面微觀不平峰谷值最大差值分別為7.04.8 μm。

圖1 試驗(yàn)樣品

表2 2A12 鋁合金材料的化學(xué)成分 %

圖2 試驗(yàn)件腐蝕前表面微觀幾何特征

1.3 試驗(yàn)步驟

使用LHS-100CL 恒溫箱控制腐蝕試驗(yàn)環(huán)境溫度為 25 ℃。使用石蠟涂覆加工打磨好的樣品非腐蝕區(qū)。將AB 組試驗(yàn)樣品端部腐蝕區(qū)域分別浸泡于裝有90 mL 腐蝕溶液的玻璃容器內(nèi)?？刂聘g時(shí)間長(zhǎng)度分別為246 h，以取得不同表面粗糙度及腐蝕時(shí)間下的腐蝕樣本。達(dá)到規(guī)定腐蝕時(shí)間后，取出試樣，用Union DZ 3 連續(xù)變焦視頻顯微鏡對(duì)腐蝕區(qū)域形貌腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察。利用超聲振動(dòng)清洗去除腐蝕產(chǎn)物并用冷風(fēng)吹干，然后用 Hp Scanjet-8200 掃描儀對(duì)腐蝕區(qū)域掃描，取得宏觀腐蝕形貌，再對(duì)去除腐蝕產(chǎn)物后的樣品表面進(jìn)行顯微觀察。然后用 KEJING SCH-Ⅰ測(cè)厚儀配合 Keyence LK-G30 激光位移傳感器對(duì)樣品表面蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，取得蝕坑深度分布數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀腐蝕形貌演化分析

AB 兩組試驗(yàn)件在25 ℃的恒溫環(huán)境中，經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)分別為246 h 腐蝕后的表面宏觀形貌如圖3 所示。對(duì)于A 組樣品，當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到2 h（如圖3a所示），樣品表面腐蝕區(qū)域出現(xiàn)較多點(diǎn)蝕坑，蝕坑尺寸較小，在整個(gè)腐蝕區(qū)域呈大致均勻分布；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到4 h（如圖3b 所示），部分蝕坑變大，顏色變黑，表明蝕坑深度增加；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到6 h（如圖3c 所示），蝕坑已擴(kuò)展且相互連接成片，腐蝕區(qū)域呈大面積均勻腐蝕狀態(tài)，腐蝕程度嚴(yán)重。對(duì)于B 組樣品，當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到2 h（如圖3d 所示），樣品表面僅有極少的腐蝕活性點(diǎn)；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到4 h（如圖3e 所示），可見(jiàn)微小蝕坑的分布密度變大，但腐蝕程度較輕，近似于A 組樣品2 h 的腐蝕程度；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到6 h，腐蝕有了進(jìn)一步發(fā)展，蝕坑分布密度進(jìn)一步增加，但蝕坑尺寸擴(kuò)展程度有限，說(shuō)明樣品腐蝕損傷較小。

2.2 微觀腐蝕形貌演化分析

通過(guò)Union DZ 3 視頻顯微鏡觀察樣品表面微觀腐蝕形貌。以A 組試驗(yàn)件不同時(shí)長(zhǎng)下腐蝕形貌的對(duì)比來(lái)說(shuō)明樣品腐蝕形貌隨時(shí)間演化的過(guò)程。圖 4a—c分別為A 組樣品腐蝕246 h 后的腐蝕形貌。可以看出，在腐蝕2 h 后，樣品表面已經(jīng)出現(xiàn)較多獨(dú)立分布的腐蝕坑，開(kāi)口尺寸大約為10~20 μm，形狀大致近似圓形；當(dāng)腐蝕時(shí)間增加到4 h，腐蝕程度明顯加劇，樣品表面出現(xiàn)分布密集的腐蝕坑，蝕坑開(kāi)口尺寸大約為30~50 μm，且相鄰蝕坑逐漸出現(xiàn)連結(jié)，蝕坑顏色變得更黑，顯示蝕坑深度變大；當(dāng)腐蝕達(dá)到6 h，相互連接的蝕坑融合為一體，造成樣品表面更大的腐蝕損傷。

B 組樣品腐蝕形貌的結(jié)果顯示，有著與A 組相同的形貌演化過(guò)程，但腐蝕程度較輕。B 組樣品腐蝕6 h 后的表面形貌如圖5 所示，可見(jiàn)樣品表面出現(xiàn)若干大小不一形態(tài)各異的點(diǎn)蝕坑，但較多蝕坑的開(kāi)口形狀近似于圓形或不規(guī)則形狀，單個(gè)點(diǎn)蝕坑開(kāi)口尺寸范圍在20~80 μm 之間，少部分蝕坑在擴(kuò)展過(guò)程中相互連接，造成較大面積的腐蝕損傷。蝕坑邊緣有堆積的白色腐蝕產(chǎn)物，表現(xiàn)出晶間腐蝕的特征。

圖3 樣品宏觀腐蝕形貌

圖4 腐蝕形貌隨時(shí)間的演化

2.3 腐蝕損傷分析

樣品在去除腐蝕產(chǎn)物后，能夠更加清晰地呈現(xiàn)出材料腐蝕損傷的狀況。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，數(shù)個(gè)較小的腐蝕坑擴(kuò)展并連接成圓形較大蝕坑的過(guò)程如圖6 所示。當(dāng)腐蝕進(jìn)行到4 h，在圖6 所示區(qū)域，材料的表面已出現(xiàn)約10 個(gè)點(diǎn)蝕坑，蝕坑開(kāi)口尺寸在20~50 μm之間；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到6 h，這些蝕坑已融合在一起，形成一個(gè)圓形的較大蝕坑，蝕坑開(kāi)口尺寸約200 μm。多個(gè)較大蝕坑進(jìn)一步連接成片，從而使腐蝕形貌演化為全面均勻腐蝕的過(guò)程如圖7 所示。

圖5 2A12 鋁合金樣品在EXCO 溶液中微觀腐蝕形貌

圖6 較大點(diǎn)蝕坑的形成過(guò)程

由圖7 可見(jiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，1234 四個(gè)蝕坑不斷擴(kuò)展，進(jìn)而連接成片。值得指出，并沒(méi)有證據(jù)表明蝕坑是“有意”相互靠近連接，而是各自獨(dú)立發(fā)展，由于尺寸擴(kuò)大而導(dǎo)致勾連成片。圖8 顯示，蝕坑不僅向四周擴(kuò)展，還沿深度方向發(fā)展，且程度不均，這將對(duì)材料性能造成更加嚴(yán)重的損傷。蝕坑中顏色的差異表明在深度方向上的差異，顏色較深的區(qū)域顯然具有更大的蝕坑深度尺寸。

圖7 獨(dú)立點(diǎn)蝕坑發(fā)展連接成片

圖8 點(diǎn)蝕坑向深度方向發(fā)展

由圖9 可見(jiàn)，蝕坑邊緣萌生微小裂紋。其原因在于腐蝕對(duì)材料表面的破壞使得淺表層材料失去了原有的平衡分布狀態(tài)，形成了內(nèi)應(yīng)力，而蝕坑邊界的不規(guī)則性易造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而促進(jìn)了微小裂紋的萌生。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，微裂紋擴(kuò)展，有成為宏觀可見(jiàn)較大裂紋的可能性，如圖10 所示。

圖9 蝕坑不規(guī)則邊界處萌生裂紋

2.4 表面粗糙度對(duì)腐蝕損傷的影響分析

圖11 顯示，樣品表面粗糙度在蝕坑的發(fā)展過(guò)程中具有很大的影響。箭頭所指位置顯示，蝕坑的邊界沿著表面較深的打磨紋理發(fā)展。這說(shuō)明表面粗糙度對(duì)樣品的腐蝕行為產(chǎn)生了重要影響，在一些情況下決定了蝕坑擴(kuò)展的方式。打磨形成的紋理，可被看作是樣品表面因加工而留下的“劃痕”。沿著樣品表面紋理發(fā)展的同時(shí)，腐蝕將向深度發(fā)展，可能在樣品表面形成裂紋，給材料造成嚴(yán)重?fù)p傷。

圖10 微裂紋擴(kuò)展為宏觀可見(jiàn)裂紋

圖11 表面劃痕對(duì)蝕坑擴(kuò)展的影響

蝕坑深度尺寸能夠更好地表征材料因腐蝕而受到的損傷，因此通過(guò)對(duì)AB 兩組具有不同表面粗糙度樣品在腐蝕后的蝕坑深度數(shù)據(jù)來(lái)比較分析粗糙度對(duì)材料腐蝕損傷的影響。腐蝕時(shí)間為2 h 時(shí)，兩組樣品蝕坑深度的分布如圖12 所示。依據(jù)蝕坑分布深度，可見(jiàn)B 組腐蝕損傷程度小于A 組。兩組樣品蝕坑平均深度的對(duì)比見(jiàn)表3，由表3 可知，當(dāng)腐蝕時(shí)間分別為246 h 時(shí)，B 組的蝕坑深度都遠(yuǎn)小于A 組。當(dāng)腐蝕時(shí)間為2 h，B 組的蝕坑深度僅為A 組的43.07%，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，差距縮??；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到6 h，B組的蝕坑深度為A 組的62.46%。原因在于隨著腐蝕程度的加大，材料逐漸失去其原有表面微觀幾何特征，粗糙度對(duì)材料腐蝕行為的影響降低。另外，對(duì)比蝕坑深度與蝕坑開(kāi)口尺寸可以看出，開(kāi)口尺寸遠(yuǎn)大于坑深，說(shuō)明腐蝕沿材料表面發(fā)展得更快，而沿深度方向的發(fā)展較慢?？梢酝茢?，若腐蝕時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕將繼續(xù)在材料表面擴(kuò)展融合，發(fā)展為全面腐蝕，同時(shí)也不能排除發(fā)生蝕坑沿深度方向發(fā)展，造成穿孔的可能性。

圖12 兩組樣品蝕坑深度分布對(duì)比（t=2 h）

表3 不同表s 面質(zhì)量及腐蝕時(shí)長(zhǎng)的樣品平均腐蝕深度

3 結(jié)論

1）常溫下，當(dāng)腐蝕時(shí)間不超過(guò)6 h（當(dāng)量腐蝕時(shí)間240 d），2A12 鋁合金在EXCO 溶液中的腐蝕類型為點(diǎn)蝕。樣品表面首先出現(xiàn)微小的腐蝕活性點(diǎn)，這些活性點(diǎn)逐漸發(fā)展成為小的點(diǎn)蝕坑。隨時(shí)間的推移，蝕坑邊界融合成片，形成較大狀腐蝕損傷。由于蝕坑在材料表面擴(kuò)展的速度高于坑深方向，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕類型有轉(zhuǎn)變?yōu)槿娓g的趨勢(shì)。

2）樣品腐蝕程度隨時(shí)間延長(zhǎng)而加劇，但與表面微觀幾何不平度值為7 μm 的樣品相比，4.8 μm 樣品的腐蝕發(fā)展程度較輕。說(shuō)明在EXCO 溶液中，表面粗糙度對(duì)2A12 鋁合金樣品的腐蝕具有重要的影響。表面粗糙度通過(guò)改變腐蝕發(fā)展方向的方式來(lái)影響樣品的腐蝕行為。點(diǎn)蝕坑向四周的擴(kuò)展會(huì)受到材料表面較深紋理的制約，并沿著紋理的方向發(fā)展，存在著演化為微裂紋的可能性。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，材料逐漸失去其原有表面微觀幾何特征，表面粗糙度對(duì)腐蝕行為的影響下降。

3）點(diǎn)蝕沿各個(gè)方向的不均衡發(fā)展形成了不規(guī)則的蝕坑邊界，而不規(guī)則的蝕s 坑邊界易造成嚴(yán)重應(yīng)力集中，誘發(fā)微裂紋的萌生。

4）提高零件表面加工質(zhì)量，降低粗糙度值，可以有效降低2A12 鋁合金材料在EXCO 溶液中的腐蝕損傷。