7A04和2A97在典型气候环境中的性能演变规律研究

2021-11-04杨玉萍刘剑赵宏坤刘艳芳王冲文戈帆罗瑞肖建军杨品杰

装备环境工程 2021年10期

杨玉萍，刘剑，赵宏坤，刘艳芳，王冲文，戈帆，罗瑞，肖建军，杨品杰

（云南北方光电仪器有限公司，昆明 650114）

铝及铝合金具有密度小、电导热能力强、成形加工性好以及物理化学综合性能优异等一系列优点，在航空、能源、食品、电子、交通等领域得到广泛的应用，已经成为工业生产中用量仅次于钢铁的第二大金属材料[1-4]。7A04属于Al-Zn-Mg-Cu系高强度铝合金，用于制造飞机机体（如蒙皮、结构支撑件以及需要承重的结构部件）和运载火箭箭体结构[5-10]。2A97属于Al-Cu-Li系新型铝锂合金，具有强度高、刚度高、韧性好等特点，受到广泛关注，应用在飞机典型结构部位[11-12]，用其取代常规铝合金，可使构件质量降低10%～15%，刚度提高15%～20%[13]。但铝合金的耐蚀性较差，极易发生点蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀。铝合金腐蚀严重时，会造成构件失效，从而影响到飞机整机的服役寿命。随着航空铝合金服役环境日益复杂，高强铝合金遭遇腐蚀性的环境越来越多[14-18]，因此研究铝合金在典型气候环境中的性能演变规律对于指导实际应用具有重要意义。以7A04、2A97分别为高强铝合金、新型铝合金的代表，开展其在自然环境下的户外暴露试验，得到的数据直观、可靠。通过对二者的各性能参数以及环境适应性进行对比分析，可以获得不同类铝合金之间的腐蚀特征和规律，为材料的环境适应性设计和防护提供数据支撑。

金属材料在自然大气环境中因气候或环境因素的作用而引起的金属变质、甚至破坏的现象称为金属的大气腐蚀[13]。在干净的大气环境中，当达到一定相对湿度后，大气中的水蒸气在金属表面凝聚或吸附成水膜，这是金属发生大气腐蚀的主要原因[19-23]。由此文中选择在万宁湿热海洋、西双版纳湿热雨林、江津暖湿酸雨三种典型气候中开展直接暴露试验。暴露0.5、1、1.5、2 a后，采用宏观测试方法观察两种铝合金外观形貌，采用拉伸试验机和布氏硬度计测试样品的抗拉强度、断后伸长率和硬度，分析7A04和2A97在不同典型气候环境中的性能演变规律。

1 试验

1.1 材料

试验材料选用铝合金挤压棒材7A04和1.5 mm厚铝锂合金冷轧薄板2A97，化学成分（以质量分数计）见表1。试样按GB/T 228制成标准圆形（直径10 mm）和矩形（12.5 mm×1.5 mm）拉伸试验试样，以及圆形（直径50 mm）和矩形（50 mm×50 mm）试块，如图1和图2所示。

表1 7A04和2A97化学成分 Tab.1 Chemical composition of 7A04 and 2A97 %

图1 7A04试样 Fig.1 Sample of 7A04

图2 2A97试样 Fig.2 Sample of 2A97

1.2 典型环境户外暴露试验

将7A04和2A97试样直接暴露在万宁湿热海洋、西双版纳湿热雨林和江津暖湿酸雨典型气候环境下开展自然环境试验，按0.5、1、1.5、2 a的周期进行周期取样和性能检测。

1.3 性能检测

每周期试验结束后，取回5件拉伸试样和2件试块进行外观形貌观察及抗拉强度、断后伸长率、硬度等性能的检测。其中检测拉伸性能时，保留试样的表面腐蚀状态，不进行酸洗。对试样尺寸进行人工检测后，采用电子拉力试验机进行拉伸性能检测。7A04硬度性能检测时，对样品表面进行车削以达到硬度性能检测表面粗糙度要求；2A97硬度性能检测时，不进行加工，保留原始表面状态。

2 结果与讨论

2.1 形貌观察

7A04和2A97铝合金样品在不同典型环境条件下暴露不同时间后的表面宏观形貌如图3和图4所示。可以看出，7A04和2A97在湿热海洋气候环境下的腐蚀较为严重，在暖湿酸雨气候环境下的腐蚀次之，在湿热雨林气候环境下的腐蚀最小，随着暴露时间的延长，腐蚀情况趋于严重。7A04在湿热海洋气候环境下暴露后，腐蚀产物逐渐覆盖整个表面；在暖湿酸雨气候环境下暴露后，呈现点蚀；在湿热雨林气候环境暴露后，表面附着苔藓类物质或灰尘，未出现明显腐蚀。2A97在湿热海洋气候环境下暴露后，呈现点蚀；在暖湿酸雨和湿热雨林气候环境下暴露后，表面未出现明显腐蚀产物，附着苔藓类物质或灰尘。从外观形貌看，在相同气候环境相同暴露时间后，7A04比2A97腐蚀严重。

图3 7A04不同典型气候环境下不同暴露周期后表面宏观形貌 Fig.3 Marco photots of 7A04 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

图4 2A97不同典型气候环境下不同暴露周期后表面宏观形貌 Fig.4 Marco photots of 2A97 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

2.2 抗拉强度测试数据分析

7A04和2A97在不同典型气候环境不同暴露周期后，抗拉强度测试数据见表2。可以看出，7A04经过2 a的湿热海洋、湿热雨林、暖湿酸雨气候环境暴露试验后，抗拉强度变化较小，说明各典型气候环境虽然对7A04表面产生了腐蚀，但腐蚀主要集中在表面，未严重影响其抗拉强度。2A97经过2 a的湿热雨林、暖湿酸雨气候环境暴露试验后，抗拉强度变化也较小，说明湿热雨林气候环境、暖湿酸雨气候环境对2A97的抗拉强度影响不大。在经过2 a的湿热海洋气候环境暴露试验后，抗拉强度下降约9%，说明2 a的湿热海洋气候环境暴露试验已经造成了2A97抗拉强度的劣化。

表2 7A04和2A97抗拉强度平均值 Tab.2 Average tensile strength of 7A04 and 2A97 MPa

2.3 断后伸长率测试数据分析

7A04和2A97在不同典型气候环境暴露不同周期后，断后伸长率测试数据见表3。可以看出，经过0.5 a的湿热海洋气候环境试验后，7A04和2A97的断后伸长率出现了不同程度的下降，7A04下降约24%，2A97下降约43%。0.5～2 a的试验期间，二者的断后伸长率保持稳定，未出现明显下降，腐蚀处于稳定阶段。经过1.5 a的湿热雨林气候环境试验后，7A04的断后伸长率基本未发生变化，直到暴露2 a后，断后伸长率出现下降，下降约24%，而2A97的依然保持不变。经过1 a的暖湿酸雨气候环境试验后，7A04的断后伸长率下降约17%，随后保持稳定；而2A97在暴露1.5 a前，断后伸长率基本没发生变化，暴露2 a后出现下降，下降约33%。从断后伸长率数据分析，2A97的耐蚀性比7A04强。

表3 7A04和2A97断后伸长率平均值 Tab.3 Average elongation of 7A04 and 2A97 after fracture %

2.4 布氏硬度测试数据分析

7A04和2A97在不同典型气候环境不同暴露周期后，布氏硬度测试数据见表4。可以看出，经过2 a的湿热海洋、湿热雨林、暖湿酸雨气候环境暴露试验后，7A04和2A97的硬度基本未发生变化。

表4 7A04和2A97硬度（HB）平均值 Tab.4 Average hardness of 7A04 and 2A97

2.5 分析讨论

由外观形貌可以看出，7A04和2A97经过湿热海洋气候环境直接暴露试验后，在腐蚀初期主要表现为典型的点腐蚀特征，随着暴露试验时间的延长，点蚀逐渐长大，临近的点蚀坑相互连接，不断扩展。到2 a后，7A04样品表面点蚀已全部连接成片，2A97样品表面局部区域点蚀也成片发展。该试验结果与北京科技大学邢士波等人关于“7A04铝合金在西沙海洋大气中的腐蚀行为研究”以及北京航空材料研究院骆晨等人关于“热带海洋大气环境中2A97铝锂合金的初期腐蚀机理研究”结果一致。根据邢士波等人的研究成果，7A04铝合金在高盐雾大气环境中试验后，该材料中含有的第二相Al7Cu2Fe，(Al,Cu)6(Fe,Cu)相对铝基体的电位要正，在局部腐蚀中作为阴极加速其周围基体的腐蚀；MgZn2相对铝基体的电位更负，作为阳极会优先发生腐蚀溶解。高盐雾大气环境中的Cl－会加速铝合金表面氧化膜的破裂，从而加速腐蚀[3]。根据骆晨等人的研究成果，2A97在热带海洋大气环境中试验后，材料中含有2种尺寸较大金属间化合物，分别是θ相（Al2Cu）和α相（Al-Cu-Fe-Mn-Si）。铝基体和θ相、α相之间建立起微电偶对，Cu、Fe、Mn等比Al的电极电位正，θ相、α相充当局部阴极，粒子周围的Al充当阳极，发生阳极溶解。试验初期，许多θ相粒子处已经萌生局部腐蚀，α相粒子及其周边区域未发生腐蚀现象。随着直接暴露试验时间的延长，α相粒子也发生局部腐蚀[24]。