基于腐蚀等级的航空铝合金腐蚀当量关系

2013-02-14刘治国李旭东穆志韬

腐蚀与防护 2013年5期

刘治国，李旭东，穆志韬

（海军航空工程学院青岛校区，青岛266041）

飞机结构材料在机场环境作用下的腐蚀损伤会严重影响飞机结构可靠性和力学寿命［1-2］。因此，在飞机结构寿命评定研究中必须考虑到飞机结构的腐蚀损伤。飞机的服役年限一般超过25a，大修周期在5～10a期间。若对飞机结构材料采用与服役年限等时间的环境试验方式实现腐蚀损伤，考虑到人力、经费及项目研究进度等实际因素，在工程上不可接受，因此，通常都采用实验室加速腐蚀方法实现飞机结构材料的腐蚀损伤，进而进行相关寿命分析。

相关研究表明［3-6］，当量关系的建立通常采用下述三种方法：以金属腐蚀电流Ic为计算基准的当量折算法；以腐蚀损伤为基准的腐蚀程度对比法；基于腐蚀损伤相同则疲劳强度相同的疲劳强度（寿命）对比法。由于腐蚀等级是基于孔蚀（点蚀）率计算分析，较为真实合理地量化表示出飞机结构材料的腐蚀损伤程度［7-8］，因此可采用腐蚀等级为度量参数，采用基于腐蚀程度对比法进行飞机结构材料不同环境中腐蚀的当量关系研究，本工作以航空LY12CZ铝合金为研究对象在此方面进行了探讨与分析。

1 基本定义与原理

1.1 当量关系定义与表示形式

当量关系是飞机结构日历寿命评定研究中经常采用的一种理论及方法，该关系的建立及确定是进行飞机结构件和模拟件加速腐蚀试验的关键，因此当量关系相关研究在飞机结构日历寿命评定研究中占有重要地位。当量关系的定义为［3-6］：飞机结构材料在机场环境和加速试验环境中达到相同腐蚀程度时，机场环境作用时间T（年）与加速腐蚀环境作用时间t（天数、小时数）的比值。表达形式为：

式中：k通常称为当量关系系数或当量折算系数，表示加速腐蚀1h（天）相当于机场环境腐蚀k年的腐蚀损伤程度。

1.2 腐蚀等级及其评定

腐蚀等级是度量材料表面腐蚀损伤程度的物理量。由于航空金属材料在进行工程应用时普遍需进行一定的表面处理，因此，根据HB5192《镀层和化学覆盖层表观腐蚀等级评定方法》中规定，航空金属材料的腐蚀等级通常采用其表面孔蚀率来进行评定。孔蚀率的计算表达式为：

式中：η表示孔蚀率，S0表示考核区域腐蚀斑点面积，S1表示考核区域总面积面积，C为腐蚀深度修正系数，根据HB5192中规定，腐蚀等级F与孔蚀率η的对应关系见表1所示，因此确定航空金属材料的腐蚀等级F首先应计算其表面的孔蚀率η。由式（2）知，孔蚀率是经腐蚀面积测量和计算而得，腐蚀等级真实合理地反映了金属材料的腐蚀损伤程度，可以采用腐蚀等级为度量参数，采用腐蚀程度对比法进行当量关系研究。

表1 航空金属材料腐蚀等级与其孔蚀率的对应关系

2 航空LY12CZ铝合金试件定级加速腐蚀

本工作采用弱酸性溶液对航空LY12CZ铝合金试件进行定级加速腐蚀试验，溶液成份见表2所示。

表2 腐蚀溶液成分 %

试件尺寸如图1所示，试验前，根据GJB 594-1988-《金属镀覆层和化学覆盖层选择原则与厚度系列》，采用铬酸阳极化对其进行表面处理（厚度约3μm），然后用无水乙醇清洁试件表面，完全去除表面油污，并用蒸馏水清洗晾干。试验时，试件均匀放置于托架上并完全浸泡在溶液中，如图2所示。

在试验初期每浸泡2h取出试件晾晒2h，晾晒后观察试件表面腐蚀情况并进行腐蚀面积测量及腐蚀等级评定。在试验中后期，随着腐蚀程度的加重，检查间隔逐渐缩短以确保得到满足要求的腐蚀等级试件。在LY12CZ试件腐蚀整个过程中，腐蚀初期，试件表面钝化膜破坏，出现腐蚀斑点；后斑点逐渐扩大加深，呈点蚀（孔蚀）特征；腐蚀中后期，点蚀穿透钝化膜进入基体，基体剥蚀，起皮剥落，出现灰白色腐蚀产物。上述加速腐蚀过程与飞机LY12CZ结构在机场环境中的腐蚀损伤模式与腐蚀机理较为相似［9-10］，都是从点蚀开始、穿透基体进而发展至剥蚀，并且加速腐蚀试件的表面处理与其飞机结构工程应用时相同，因此可以利用本加速腐蚀试验结果进行当量关系研究。部分腐蚀等级的试件表面腐蚀形貌如图3所示。通过计时，部分腐蚀等级F所需的加速腐蚀时间tF如表3所示。

3 飞机LY12CZ结构机场环境下腐蚀等级评定

将LY12CZ铝合金材料放置在机场环境中进行自然腐蚀，然后测量其腐蚀面积，通过计算进而确定腐蚀等级，这一过程需要周期较长，一般需要十数年，研究上难以接受。因而本工作采用某型服役多年的现役飞机LY12CZ结构腐蚀测量结果进行该材料的机场环境下腐蚀等级评定研究，该型机目前服役已接近30a，在对该型机进行的腐蚀损伤普查过程中，发现该型机机翼前梁附近的蒙皮下壁板部位潮湿空气和水分易进入并在此存积，且该部位较隐蔽，难以直观检查，造成该部位结构材料腐蚀严重，且该部位结构材料为LY12CZ铝合金，所以选定该型机机翼前梁附近的蒙皮下壁板为腐蚀检查及腐蚀等级评定研究对象，其结构部分腐蚀形貌见图4所示。根据多架该型机此部位表观的腐蚀现象观察和选定区域腐蚀面积实测分析，发现服役25a左右的该部位腐蚀等级接近4级，从偏保守角度考虑，因此认为航空LY12CZ铝合金材料在机场环境中腐蚀25a的腐蚀等级为4级，即TF4＝25a。

表3 试件腐蚀周期对应腐蚀等级表

图4 某型机LY12CZ铝合金结构外观腐蚀形貌

4 航空LY12CZ铝合金两种环境下腐蚀当量关系研究

根据上述试验结果和分析，以腐蚀等级F＝4为度量基准，得到航空LY12CZ铝合金两种环境中腐蚀的当量关系为：

将k＝0.95带入式（1），联系表3，可得机场环境中LY12CZ铝合金材料腐蚀等级F与腐蚀年限T的对应关系，见表4所示。

表4 不同腐蚀等级下的加速腐蚀周期与机场环境腐蚀周期

根据表4中的数据，可以得到机场环境下航空LY12CZ铝合金腐蚀周期T与腐蚀等级F关系曲线，如图5所示

图5 LY12CZ铝合金机场环境下腐蚀周期与腐蚀等级关系曲线

从图5可见，LY12CZ铝合金腐蚀周期在机场环境中腐蚀周期T与腐蚀等级F符合指数函数关系，对其进行拟合，得到机场环境中航空LY12CZ铝合金腐蚀周期T与腐蚀等级F关系函数为：

依据表4和图5，可认为航空LY12CZ铝合金材料在机场环境中的腐蚀等级变化较为缓慢，达到腐蚀等级1时的机场环境作用时间是6.6a，约等于7a左右，这与实际情况较为吻合，这是因为飞机LY12CZ铝合金结构表面涂有涂层，涂层的失效期通常为5～6a［11-12］，涂层失效后铝合金结构才开始出现点蚀状况，因此其腐蚀状况达到腐蚀等级1时通常为7a左右，并且铝合金结构在机场环境中由点蚀发展至剥蚀（腐蚀等级5以上）周期长达数十年，图5中也体现了这一点。以上分析说明了本工作基于腐蚀等级获得的航空LY12CZ铝合金材料于两种环境中腐蚀的当量关系是可行和合理的。