航空铝合金应力腐蚀研究前景

郭一，黄智勇，金国锋，田干

(火箭军工程大学 导弹工程学院，陕西 西安 710000)

航空航天铝合金必须承载结构和空气动力负荷，同时价格低廉且容易制作[1-4]。除了高机械性能和长期耐久性，更至关重要的是材料必须具备更大的强度重量比[5-6]。

铝合金的应力腐蚀开裂(SCC)现象非常严重，是一种由拉伸载荷的联合作用引起的现象[7]，而强度越高的铝合金越敏感[8-10]。应力腐蚀产生的裂纹首先出现在材料表层的缺陷位置，往往在外观无明确预兆的情况下突然断裂，严重威胁飞行器和工作人员的安全[11-12]。因此，在航天航空领域，研究铝合金的应力腐蚀对于其性能及寿命的提升有着重要意义。

1 应力腐蚀机理

影响铝合金SCC过程的因素主要包括腐蚀介质以及应力[13-14]。铝合金的种类众多，腐蚀环境也各种各样，所以在不同的情形下有不同的应力腐蚀机理。目前这些腐蚀机理尚未统一，主要的腐蚀机理有以下几种：

阳极溶解理论：首先由Dix等[15]在1940年提出。材料在应力的作用下产生有利的腐蚀路径，即阳极被氧化溶解，并且形成的裂纹不断蔓延，从而导致合金的损坏。阳极溶解理论又可细分为三种：阳极通道理论、滑移溶解理论以及膜溶解理论。其中最常用的是滑移溶解理论。最初是由Champion以及Logant提出[16]，1965年，Swann与Embury又加以修正[17-18]。铝合金的表层与空气或其它腐蚀介质接触容易形成一层钝化膜，由于施加的应力造成其发生位错滑出表面产生滑移阶梯，最终导致局部氧化膜破裂露出材料基体进而引起溶解腐蚀，造成裂纹不断扩展以致断裂。

氢致开裂理论：由于应力产生的位错导致了裂纹尖端吸附氢原子的速率加快，使晶界之间的结合强度下降从而发生SCC[19-20]。

机械理论：1961年，Paugh和Jones[21]提出的关于SCC最简单的机理。他们认为裂纹的扩展主要是由机械作用造成。铝合金在加载应力之后，晶界比晶粒更容易遭到腐蚀介质的侵蚀，从而使裂纹不断蔓延扩大。

2 航空铝合金的应力腐蚀研究进展

目前来说，航空领域最常用的变形铝合金有2xxx系(Al-Cu系)、6xxx系(Al-Si-Mg系)、7xxx系(Al-Zn系)以及Al-Li系合金[22]；而铸造铝合金的牌号以及使用量较少，主要应用的是Al-Si系和Al-Cu 系[23]。

2.1 变形铝合金

2xxx系铝合金主要以Cu为合金元素，是铝合金历史中出现最早、应用时间最长的中等强度的铝合金材料，至今仍广泛应用在航空飞行器的结构部位诸如蒙皮、框、肋和螺旋桨桨叶上。Choi与Kim等[24]利用恒载荷试验法和慢应变速率试验法，在阴极外加电位下，分别测试了2024-T2、2124-T851以及2050-T84合金在0.6 mol/L的氯化钠溶液中的SCC敏感性。两种实验方法下，2124-T851和2050-T84试样的拉伸延性降低可以忽略不计，证明了2xxx系列铝合金经过热处理后的SCC敏感性会降低。与2124-T851和2050-T84相比，2024-T2中Fe与Si元素含量较高，相当于以杂质的形式存在，通过沉淀混合物促进腐蚀损害材料。Lee和Kim等[25]采用同样的方法对2024-T351在不同试验变量下进行了检测。在0.6 mol/L的氯化钠溶液中，SCC以不同的速率沿着不同的晶粒方向延伸，最终导致了其力学性能的下降，同时证明了在阳极和阴极施加电位时，2024-T351合金在0.6 mol/L的氯化钠溶液中是由阳极溶解和氢致开裂共同导致其应力腐蚀的发生。

7xxx系铝合金主要以Zn为主合金元素，其发展和应用稍晚，始于20世纪30年代，广泛用于蒙皮、壁板等机体关键件。Prasanta与Ghosh[26]研究了T6热处理下的7017和7150铝合金在0.6 mol/L的氯化钠溶液中的自由腐蚀和外加阳极电位下的慢应变速率实验。结果表明，T6状态下的7017合金的SCC现象并不明显，而T6状态下的7150合金易发生SCC。在施加阳极电位时，两种合金的SCC现象都很严重。通过电镜观察试样表面、断口以及裂缝，可以推测7150合金发生应力腐蚀开裂机理是晶界析出物的阳极溶解伴随氢致裂纹；而7017合金是由局部阳极溶解从而导致SCC。Oger与Andrieu等[27]选择了低腐蚀敏感性的合金7046-T4研究其SCC机制。将合金在0.6 mol/L 的氯化物溶液中浸泡后以10-3s-1的应变速率进行试验。对于预腐蚀的样品观察到机械性能的损失，归因于氢的吸收、扩散，影响合金表面下的体积并改变其机械性能，通过电镜观察验证了氢致开裂是造成SCC的主要机制。

航空领域对铝锂合金的使用主要开始于第二代铝锂合金[28]，铝锂合金在空气动力学领域被广泛认为是一种理想的轻质高强度结构材料[29]，并且被NASA制成航天飞机的低温推进剂罐。Zhao与Yu等[30]通过慢应变速率法研究了2297铝锂合金在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液和CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中的SCC敏感性。2297铝锂合金在CP溶液中无SCC行为；而在CPS溶液中，随着应变速率由10-5s-1降低到10-7s-1，SCC敏感性先上升后下降，在10-6s-1时达到最大值。结果表明，在CP(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2)溶液中，H2O2促进2297铝锂合金的溶解，造成较大的腐蚀侵蚀；在CPS(1 mol/L NaCl+0.01 mol/L H2O2+0.6 mol/L Na2SO4)溶液中，硫酸根离子的存在使腐蚀速率下降导致应力集中从而发生SCC。其SCC行为受到裂纹尖端和裂纹壁区域阳极溶解的显著影响。此外，作为裂缝的优选起始位点，凹坑对2297铝锂合金的SCC也有较大影响。Goebel等[31]通过四点弯曲法和慢应变速率法对第三代铝锂合金2099-T86进行试验。施加应力的样品中皆为选择性晶粒发生点蚀，两种测试方法显示出相似的形态。在试样的压缩以及拉伸侧都发现了点蚀现象，说明试样拉伸侧的凹坑深度在不断增加。而电化学分析也印证了应力加载下的试样具有较高的腐蚀活性。

2.2 铸造铝合金

铸造铝合金是将纯铝在熔融状态下，然后加入其它元素来改良其性质，同时，还能保留铝自身的优良性能。铸造铝合金主要包括：Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。其中，Al-Si系和Al-Cu系应用较多。

铸造铝合金中最常用的就是Al-Si系合金，主要用于制造仪器仪表等附件。李晨等[33]利用自制的载荷传感器将ZL101合金浸入至酸性介质中(3.5% HCl+NaCl的饱和溶液)研究其应力腐蚀开裂性能。结果表明，ZL101合金的SCC十分明显，在拉伸的状态下SCC现象更为严重，产生的裂纹扩展速率大于其压缩状态。观察断口形貌发现其腐蚀行为沿晶界不断蔓延，为阳极溶解和机械损伤共同导致。上官晓峰等[34]利用恒定载荷法研究了铸造铝合金A356在0.6 mol/L氯化钠溶液中的SCC特性，结论与李晨等相似，通过观察，在断口处发现了穿晶脆性断裂形貌，为阳极溶解和机械损伤共同作用，但是以阳极溶解为主。

Al-Cu系铸造铝合金是强度最高的一类铝合金，在加入其它元素后，力学性能有了大幅度的提高，适于制造航空发动机及附件零件，如机匣、壳体等。刘家军[35]通过慢应变速率拉伸试验以及恒载荷法等方法研究了ZL205A铸造铝合金的SCC性能。最终得出在T6热处理状态下的ZL205A铝合金的SCC现象不明显，在0.6 mol/L的氯化钠中具有很高的抗SCC性能。通过观察断口形貌分析，其应力腐蚀机理为阳极溶解，施加应力之后，其表面形成滑移台阶，最终裂纹尖端被氧化、钝化，阻碍裂纹的扩展。

3 结束语

大部分航空应用铝合金的抗SCC特性较差，其中，变形铝合金的SCC机理主要以阳极溶解和氢致开裂共同导致；铸造铝合金则以阳极溶解为主，机械损伤为辅。尽管航空铝合金的抗应力腐蚀已经得到了一定的改善，可以通过增强其热处理机制等方法来实现，但是这个问题仍不能掉以轻心。目前，铝合金的应力腐蚀开裂机理尚未统一，仍需要进行更深层次的试验及研究去解释应力腐蚀敏感性变化的原因。随着人们对铝合金越来越重视，研究逐步深入以及新技术新工艺的出现，新型号的铝合金会具备更有益的综合性能。