2024铝合金盐雾腐蚀评估及腐蚀形貌分析

李云涛，李晓宁，包俊成，周世杰

（1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津300384）

2024铝合金盐雾腐蚀评估及腐蚀形貌分析

李云涛1，2，李晓宁1，包俊成1，2，周世杰1

（1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津300384）

采用盐雾试验研究了2024铝合金在环境相对湿度、介质浓度、环境温度三因素影响下的腐蚀行为。极差分析结果表明，相对湿度对2024铝合金的腐蚀程度影响最大，尤其对腐蚀坑深具有显著影响；对处于84%、90%、100%三种不同相对湿度腐蚀环境中的试样，运用模糊综合评判法，确定其腐蚀等级依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级腐蚀；金相显微分析发现，2024铝合金的腐蚀类型主要是晶间腐蚀，且随着相对湿度的增加，腐蚀程度逐渐增加。

2024铝合金；极差分析；模糊综合评判；腐蚀形貌

2024铝合金作为一种高强度硬铝，被广泛应用于航空航天、建筑、交通等行业［1］。但由于其对腐蚀环境的敏感性，使其易发生局部腐蚀［2-3］，从而对构件的使用安全性产生极大的影响。目前国内外学者对2024铝合金的腐蚀机理及腐蚀形式有了较多的研究。王彬彬等［4］利用4 a的现场大气暴露试验，研究了我国西部盐湖大气环境的局部腐蚀行为。结果发现，随着环境中Cl-含量的升高，铝合金的开路电位降低，导致其耐蚀性变差。郑弃非、孙霜青等［5-6］运用灰色关联方法研究了污染物和气象因素对铝合金的腐蚀速率的影响，在研究中提出最低温度和平均湿度是气象因素中影响腐蚀速率的最大影响因素。但在众多的研究中，定性确定铝合金腐蚀程度方面的报道相对较少，一般大多依靠工程师的现场经验［7-8］。确定铝合金在相应的腐蚀环境中的耐蚀性及其在腐蚀环境中的腐蚀程度成为了人们研究的重点。

本工作采用湿热盐雾试验模拟了不同腐蚀环境，通过对不同腐蚀环境中的腐蚀数据进行数学分析，研究2024铝合金在相应环境中的腐蚀规律，并定量评定其腐蚀程度，为相应的结构设计安全提供指导。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为热轧状态的无包铝层2024铝合金。腐蚀前对试样进行固溶和时效处理，固溶温度495℃，然后进行96 h时效处理，其抗位强度级别为460～490 MPa。其主要化学成分为（质量分数/%）：Cu 4.62，Mg 1.65，Mn 0.8，Si 0.21，Fe 0.26，Ti 0.06，Zn 0.16，Ni 0.06。热处理后的晶粒组织见图1。腐蚀试样尺寸为50 mm×25 mm×6 mm，表面为机械加工状态，粗糙度为3.2μm。

图1 未腐蚀前2024铝合金的金相组织Fig.1 The microstructure of 2024 aluminum alloy before corrosion

1.2 试验过程

将54块2024铝合金试样分成三组，清洗、烘干后，用电子天秤称量，然后放在GDS-100型高低温湿热试验箱内，模拟不同腐蚀环境中进行腐蚀试验。标准腐蚀液X为：5%NaCl+0.8%Na2S2O8+ 0.05%NaNO3，pH调节在4～5。腐蚀环境中的5X、10X、20X表示为标准腐蚀液浓度（c）的5、10、20倍。待腐蚀结束后，取出试样，除去表面腐蚀残留，清洗、烘干后称量。在每块试样的相同位置，选取10处，用DPG-1型腐蚀坑深度测量仪测量腐蚀坑深度，并求其平均值，作为相应腐蚀环境中的腐蚀坑深度。不同腐蚀环境组合的设计和相应环境中腐蚀测量结果见表1。在每块试样的相同位置取大小为5 mm×5 mm×2 mm的试样，封样，打磨，用奥林巴斯BX51M型光学显微镜和JSM-6700F型扫描电镜观测试样表面的微观腐蚀形貌。

2 腐蚀影响因素极差分析

本次研究中，主要探讨相对湿度（RH）、腐蚀液质量浓度（c）、环境温度（T）对2024铝合金腐蚀程度的影响。每一影响因素设置3个影响水平。选定两种评定腐蚀程度的指标：腐蚀前后的质量损失率（△m/m0）和腐蚀坑深度（H）。利用极差分析法来确定各影响因素对腐蚀指标的影响水平，为之后模糊权重矩阵的建立提供依据。

表1 腐蚀环境设计及相应试验结果Tab.1 The design of corrosion environments and the results of the experiments

利用公式（1）～（3）［9］计算不同影响因素的极值，三因素对质量损失率的影响计算结果如表2所示，对腐蚀坑深的影响计算结果如表3所示。由表2和3可确定，这三个影响因素中，相对湿度对腐蚀结果测量的影响最大。在对质量损失率中，腐蚀液质量浓度对结果的影响作用大于温度对结果的影响，但在对腐蚀坑深中，两因素的影响程度基本相同。

式中：Kij为第j列因素i水平所对应的试验指标和；xij为第j列因素i水平所对应的试验指标值；为第j列因素i水平所对应的试验指标和的平均值；m为第j列因素i水平试验次数；Rj为第j列因素的极差。

因此在实际生产工作中，应尽量降低2024铝合金构件服役环境的相对湿度，尤其是一些有密闭性要求的装置中，更应该注意防范因湿度的增加而造成腐蚀坑深的急剧增加，从而对装置的密闭性造成破坏。

表2 三因素对质量损失率的极差分析Tab.2 The mass lose range analysis influenced by the three factors

表3 三因素对腐蚀坑深的极差分析Tab.3 The pit depth range analysis influenced by the three factors

3 腐蚀程度评定

对2024铝合金腐蚀程度进行定量的评价是确定其在相应腐蚀环境中安全使用的前提。由于腐蚀受多种因素的影响，腐蚀程度的确定存在不确定性。模糊综合评判法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价［10］。故本工作采用模糊综合评判法对腐蚀试样进行腐蚀程度的评估。由极差分析可知，相对湿度对2024铝合金的腐蚀程度影响最大，结合本工作的特点，此处只对处于三种不同相对湿度下的腐蚀试样进行模糊综合评判。

模糊综合评价主要由：指标集X=｛x1，x2，…Xn｝；评价集V=｛v1，v2，…vn｝；权重集W=｛w1，w2，…wn｝；及模糊关系矩阵R构成［10-11］。

3.1 建立指标集

总结影响本次试验评定腐蚀程度的主要因素为：相对湿度（x1）、腐蚀液浓度（x2）、温度（x3）、腐蚀坑深（x4）、质量损失率（x5）。则建立指标集X=｛x1，x2，x3，x4，x5｝=｛相对湿度，腐蚀液质量浓度，温度，腐蚀坑深，质量损失率｝。

3.2 建立评价集

结合腐蚀程度的不确定性，将腐蚀程度的评价因素设定为：｛轻微腐蚀、一般腐蚀、较重腐蚀、严重腐蚀、锈损｝，见表4。

表4 因素状态分级评价表Tab.4 Classification of various factors

3.3 确定权重集

采用0.1～0.9标度［11-12］，建立优先判断矩阵，并将优先判断矩阵转化为模糊一致矩阵，利用排序法［14］计算出权重集W=［0.205 0 0.170 0 0.160 00.220 0 0.245 0］，即本次试验中，影响2024铝合金腐蚀程度因素的权重排序为：质量损失率，腐蚀坑深，相对湿度，腐蚀液浓度，温度。

3.4 模糊关系矩阵R

通过试验测定三种腐蚀环境中的指标因素，根据因素状态分级评价表，确定在三种腐蚀环境中的模糊关系矩阵R。本工作所选择的五种指标均为正向指标［14-15］，则利用梯形分布公式［16］，确定相应指标的隶属度。

RH=84%环境中的隶属度矩阵为：

RH=90%环境中的隶属度矩阵为：

RH=100%环境中的隶属度矩阵为：

3.5 模糊综合评判

权重向量W与隶属度矩阵R做模糊变换［17］，既为此次模糊综合评判的结果，即：

根据最大隶属度原则，确定相应环境中的评判结果。即在RH=84%腐蚀环境下，试样为Ⅱ级腐蚀，在RH=90%腐蚀环境中为Ⅲ级腐蚀，在RH= 100%腐蚀环境下为Ⅳ级腐蚀。

4 腐蚀形貌分析

通过金相照片比对，在图2（a）中偶尔出现腐蚀活性点，点蚀出现，晶间腐蚀明显。随着相对湿度的增加，试样表面粗糙度增加，当湿度达到100%时，颜色较深的腐蚀斑相互交联，腐蚀面积增大，表面粗糙度继续恶化。

通过SEM观察，腐蚀区域零星分布，呈圆形或椭圆形，试样表面出现龟裂纹，偶有白色腐蚀产物的堆积，随着湿度的增加，裂纹继续向深度和宽度方向发展。腐蚀产物大而疏松，堆积厚度增加，局部有块状脱落。从图中观察发现其腐蚀类型主要为沿晶腐蚀，偶有穿晶腐蚀裂纹的出现。这是由于时效处理后，Cu Al2在晶间沉淀析出，导致晶界贫铜区的产生，贫铜区的腐蚀电位较周围基体的电位低［18-20］，腐蚀速率较大，导致沿晶腐蚀的发生。晶界处腐蚀产物的堆积，产生“楔入效应”［21］，使得沿晶裂纹的继续扩大，最终发展为剥蚀。

图2 铝合金试样在腐蚀环境T=50℃，c=20X时不同湿度下的表面金相照片Fig.2 The corrosion morphology of aluminum alloy in environments T=50℃，c=20X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

图3 铝合金试样在腐蚀环境T=50℃，c=20X时不同湿度下的表面SEM照片Fig.3 SEM morphology of 2024 aluminum alloy in environments T=50℃，c=20 X with different relative humidity（a） A54，RH=84% （b） A36，RH=90% （c） A18，RH=100%

5 结论

（1）在相对湿度、腐蚀液质量浓度、温度三个影响因素中，相对湿度对2024铝合金腐蚀程度的影响最大，尤其是对腐蚀坑深度有显著性的影响。

（2）对处于腐蚀液质量浓度20X、温度50℃、相对湿度依次为84%、90%、100%环境中的三组腐蚀试样进行模糊综合评判，确定其腐蚀等级依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级腐蚀。

（3）2024铝合金在本次试验环境中的腐蚀方式主要以晶间腐蚀为主，偶有穿晶腐蚀。随着腐蚀环境的恶化，腐蚀程度逐渐增加。

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Corrosion Evaluation and Morphology Analysis of 2024 Aluminum Alloy in Salt Spray

LI Yun-tao1，2，LI Xiao-ning1，BAO Jun-cheng1，2，ZHOU Shi-jie1
（1.College of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin Key Laboratory for Photoelectric Materials Devices，Tianjin 300384，China）

The corrosion behaviors of 2024 aluminum alloy under the influence of relative humidity，concentration and temperature were studied in salt spray.Range analysis revealed that the relative humidity had the greatest influence on the corrosion of 2024 aluminum alloy.The relative humidity had a significant influence on the depth of corrosion pit，especially.The fuzzy comprehensive evaluation was used to evaluate the corrosion degree of the alloy in environments with 84%，90%，100%relative humidity，respectively.The corrosion degrees of the three alloys wereⅡ，Ⅲ，Ⅳ，respectively.Metallographic analysis was used to analyze the surface of the alloy.It showed that the main corrosion type of the alloy was intergranular corrosion.With the increase of the relative humidity，the corrosion degree increased gradually.

2024 aluminum alloy；range analysis；fuzzy comprehensive evaluation；corrosion morphology

TG172.5

A

1005-748X（2015）09-0864-05

10.11973/fsyfh-201509

2014-09-25

包俊成（1965-），教授，硕士，从事金属材料微合金化及其力学性能表征、失效分析等教学和研究工作，18622216953，liyuntao_vip＠126.com