四种典型大气环境下7B50铝合金 的腐蚀行为研究

钟勇，苏艳，罗来正，吴洋,2，杨华明,3，陈喜栋,4，赵全成,5， 吴帅，朱玉琴，舒畅，滕俊鹏

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.黑龙江漠河大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，黑龙江 漠河 165300；3.西藏拉萨大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，拉萨 850100； 4.海南大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 万宁 571522； 5.甘肃敦煌大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，甘肃 敦煌 736200）

7B50合金属于铝-锌-镁-铜系，是可热处理强化的新型高性能铝合金。7B50合金是在7050合金的基础上提高合金中的铜元素含量及Zn/Mg比（锌在7B50合金中的质量分数比在7050合金中高0.3%），优化合金元素含量（Ti在7B50合金中的质量分数比在7050合金中高0.04%，另含有质量分数为0.0002%～ 0.002%的Be以提高氧化膜的致密性，减轻或防止熔炼时镁的烧损）研发出来的，具有较高的综合性能，已在航空航天工程领域得到应用[1-2]。与7050合金相比，7B50合金的沿板材厚度方向的抗拉强度提高约5%，断裂韧度提高约10%，强度和断裂韧度的综合匹配性更优。该合金与美国的7150铝合金相近，主要有T74、T77等时效状态。其中，T74状态为过时效处理，具有良好的抗剥落腐蚀性能；T77状态为回归时效处理，具有高的抗应力腐蚀开裂性能及抗剥落腐蚀性能。总体来看，7B50铝合金具有密度低、加工性能优良、力学性能好、耐腐蚀性能好等优点，可 应用于飞机整体框、梁、接头等主承力结构。

目前，针对7B50铝合金的研究主要集中在均匀化处理、组织结构、加工制造、本征力学性能等方面，对其腐蚀性能的研究十分有限。刘维等[3]研究了再时效对过时效7B50合金力学性能和腐蚀性能的影响，指出7B50合金在双极过时效和再时效的峰值点具有最高的抗剥落腐蚀性能和最低的应力腐蚀敏感性。Xu Xing-chen等[4-6]分析了超声轧制对7B50-T7751铝合金表面完整性及腐蚀疲劳行为的影响，研究了氯化钠溶液中预腐蚀对7B50-T7751铝合金力学性能的影响，指出7B50-T7751合金中粗大且不连续分布的晶界降低了晶间腐蚀和氢脆敏感性。肖代红等[7]研究了微量Ag对7B50铝合金的组织与腐蚀性能的影响，发现微量Ag的添加影响了铸态合金的组织，降低了挤压态合金的再结晶程度，同时也降低了时效态合金的抗剥落腐蚀性能。孙擎擎等[8-10]研究了大气污染物、氯离子浓度、温度、外加应力、氨基酸等对7B50铝合金电化学腐蚀性能的影响，获取了7B50铝合金在不同腐蚀介质中的电化学腐蚀行为。上述对7B50铝合金腐蚀现象的研究主要集中在实验室水溶液环境中，对自然环境下的腐蚀性能研究的报道极少，Zhao Qi-yue等[11]开展了工业海洋和北方半乡村大气环境户外暴露试验，研究了7B50铝合金在硫酸阳极氧化处理后的腐蚀行为和腐蚀机理。

对回归再时效处理后的7B50-T7751和7B50- T77511两种铝合金试样在湿热海洋、干热沙漠、寒冷乡村、暖温高原四种典型大气环境下的腐蚀行为进行对比研究，探讨了7B50铝合金在不同大气环境中的耐蚀性差异，剖析了7B50铝合金的腐蚀特征及规律，为该类合金的推广应用和超高强铝合金及其防护 工艺的研发改进提供了基础数据支撑。

1 试验

1.1 试样

原材料为7B50-T7751轧制板材和7B50-T77511挤压型材，由西南铝业（集团）有限责任公司生产，其化学成分见表1。7B50铝合金T7751状态和T77511状态的区别主要在于，前者适用于加工成按规定量进行拉伸的板材、轧制或精整的棒材及模锻件、锻环、轧制环（拉伸后不再进行矫直），后者适用于加工成按规定量进行拉伸的挤压棒材、型材、管材、拉制管材（拉伸后可略微矫直）。

表1 7B50铝合金的化学成分 Tab.1 Chemical compositions of 7B50 aluminum alloy ω%

试验前，采用机械加工方式将7B50-T7751轧制板材和7B50-T77511挤压型材各自分别加工成平板试样和棒状拉伸试样两种类型。平板试样尺寸为100 mm×50 mm×(2.7～3.0) mm，用于宏观腐蚀形貌分析、金相显微形貌分析和腐蚀深度分析。棒状拉伸试样按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的有关规定制备（平行段直径d=5.0 mm），用于抗拉强度Rm和断后伸长率A的测试。

1.2 试验方法

参照GB/T 14165—2008《金属和合金 大气腐蚀试验 现场试验的一般要求》和GJB 8893—2017《军用装备自然环境试验方法》的相关规定，采用户外大气自然环境暴露试验方法，在湿热海洋大气环境的海南试验站、干热沙漠大气环境的甘肃敦煌试验站、寒冷乡村大气环境的黑龙江漠河试验站、暖温高原大气环境的西藏拉萨试验站开展户外大气自然环境暴露试验。试样受试面朝南，与水平面呈45°角安装于试样架上，直接经受户外大气环境的综合作用，对比研究两种7B50铝合金试样在不同大气环境中的腐蚀特征和性能演变规律。

1.3 试样检测与分析

1）宏观腐蚀形貌分析。试验过程中持续目视观察试样的宏观腐蚀形貌，在四种试验环境中，每种铝合金分别固定3件平行样，用于宏观腐蚀形貌观测。

2）金相显微分析和腐蚀深度分析。按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》的相关规定，采用Observe.A1m型金相显微镜对试验前后试样的金相显微组织和腐蚀深度进行观察，在试验周期为0、0.5、1、2、3 a时取样检测，每次取1件试样，在试样腐蚀明显处检测2～6个点。在四种环境的不同周期中，每种铝合金分别固定1件平行样，用于金相显微分析和腐蚀深度分析。

3）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010的相关规定，采用MTS 880电液伺服材料试验机，测试试验前后试样的抗拉强度Rm和断后伸长率A，在试验周期为0、0.5、1、2、3 a时取样检测，每次检测5件平行样。

2 结果与讨论

2.1 7B50铝合金微观组织结构

图1是7B50-T7751和7B50-T77511铝合金的典型显微组织。7B50-T7751和7B50-T77511铝合金的金相显微组织均表现为α-Al基体+强化相，晶粒沿压延方向拉长。然而，两种铝合金的强化相尺寸、分布和形状明显不同，前者组织存在混晶现象，晶粒较细，强化相分布相对均匀，局部呈带状；后者晶粒较粗，强化相沿晶界析出呈细小粒状。两种铝合金的微观组织结构与其宏观腐蚀性能密切相关，特别是由于晶界处强化相的电化学活性与基体存在一定差异，可能导致7B50-T77511铝合金更易发生晶间腐蚀、剥蚀等局部腐蚀现象[12,13]。

2.2 7B50铝合金腐蚀特征分析

7B50-T7751和7B50-T77511两种铝合金试样暴露在四种典型大气环境下0.5～3 a的宏观腐蚀形貌如图2、图3所示，主要环境参数见表2。

表2 四个试验站的主要环境参数 Tab.2 Main environmental parameters of four test sites

图2 7B50-T7751铝合金在典型大气环境中的宏观腐蚀形貌 Fig.2 Macrocorrosion morphology of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

图3 7B50-T77511铝合金在典型大气环境中的宏观腐蚀形貌 Fig.3 Macrocorrosion morphology of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

定期目视检查发现，7B50-T7751板材暴露于湿热海洋大气环境中表现为中度点蚀（试样表面50%以上面积出现明显腐蚀，腐蚀点连成片状趋势明显）、伴随着灰白色腐蚀产物（见图2a）；在干热沙漠环境中表现为大量密集黑色腐蚀斑（见图2b）；在寒冷乡村和暖温高温环境中暴露3年腐蚀不明显（故图2中没有放置7B50-T7751铝合金在漠河站和拉萨站的宏观腐蚀形貌照片）。然而，7B50-T77511型材暴露于湿热海洋大气环境中则表现为重度点蚀（腐蚀遍布试样表面，目视腐蚀向纵深发展趋势明显），伴随着灰白色腐蚀产物（见图3a）；在干热沙漠环境中与7B50- T7751相同，表现为大量密集黑色腐蚀斑（见图3b）；在寒冷乡村和暖温高温环境中暴露3 a，只出现轻微点蚀和少量腐蚀黑斑（因宏观照片在较小尺寸下难以显现局部腐蚀细节，故图3中没有放置7B50-T77511铝合金在漠河站和拉萨站的宏观腐蚀形貌照片）。宏观腐蚀形貌对比表明，7B50铝合金在湿热海洋大气环境的海南站腐蚀最为严重，敦煌站次之，在寒冷乡村和暖温高温环境中较为轻微。7B50-T7751板材和7B50-T77511型材在相同典型大气环境中的耐蚀性也表现出一定差异，前者耐蚀性相对略好。

由表2环境参数数据得知，海南站具有典型的“高温、高湿、高盐”环境特征，对7B50铝合金具有较大的腐蚀危害。由于相对湿度高、氯离子含量高，铝合金表面易形成电解液膜，导致点蚀发生，加之氯离子对铝合金氧化膜和腐蚀产物的穿透、吸附作用[14-16]，铝合金表面生成的腐蚀产物膜较为疏松，对基体的保护作用较弱，随暴露时间的延长，腐蚀逐渐由点成面，不断向纵深发展。敦煌站虽然年均相对湿度特别低（仅为41%），但大气中年均氯离子沉积量比漠河站和拉萨站要高出不少（这与敦煌站所处的盐碱地环境有关），氯离子的存在促进了敦煌站7B50铝合金表面点蚀的发生，导致其腐蚀程度明显比漠河站和拉萨站严重。但由于铝合金表面难以形成有效的连续薄液膜，所以从宏观形貌上看，7B50铝合金在敦煌站的腐蚀速率比海南站慢。漠河站和拉萨站大气较为洁净，年均温度和相对湿度均不高，大气腐蚀性相对较弱，对7B50铝合金的腐蚀影响较为轻微。

图4和图5给出了7B50-T7751板材和7B50- T77511型材在四种典型大气环境下暴露0.5～3 a的金相显微形貌，其局部最大腐蚀深度如图6所示。由图4—图6得知，当7B50-T7751板材暴露在湿热海洋大气环境时，试样微观形貌可见典型的点蚀和晶间腐蚀特征（见图4a），暴露3 a后局部最大腐蚀深度为166 μm（见图6a）；在干热沙漠环境中，其微观形貌局部可见点蚀和晶间腐蚀特征（见图4b），暴露3 a后局部最大腐蚀深度为44 μm（见图6a）；在寒冷乡村和暖温高原环境中，试样暴露3 a后未检出有腐蚀情况发生（故没有金相显微形貌照片）。7B50- T77511型材暴露于四种大气环境中的微观形貌均可见点蚀、晶间腐蚀特征（见图5a—5d，寒冷乡村和暖温高原环境中仅局部可见），暴露3 a后四个站的局部最大腐蚀深度分别为141、80、42、29 μm（见图6b）。另外，海南站和敦煌站试样的微观形貌同时表现出明显的剥蚀特征（见图5a、5b）。7B50铝合金金相显微形 貌和局部最大腐蚀深度的变化印证了其宏观腐蚀形貌结果，也表明两种7B50铝合金在典型大气环境中的腐蚀特征基本一致，均主要表现为点蚀和晶间腐蚀的混合腐蚀，且随着暴露时间的延长，沿晶网状裂纹向基体内部不断延伸，发生晶间腐蚀甚至剥蚀的倾向愈发明显[17-18]。

图4 7B50-T7751铝合金在典型大气环境中的金相显微形貌 Fig.4 Metallographic micrograph of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

图5 7B50-T77511铝合金在典型大气环境中的金相显微形貌 Fig.5 Metallographic micrograph of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

图6 7B50-T7751和7B50-T77511铝合金在典型大气环境中的局部最大腐蚀深度 Fig.6 Histogram of local maximum corrosion depth of 7B50-T7751 and 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

2.3 腐蚀对7B50铝合金力学性能的影响

7B50-T7751和7B50-T77511两种铝合金在四种典型大气环境中暴露试验后的拉伸性能变化曲线如图7所示。由图7可知，7B50-T7751铝合金在四种典型大气环境中暴露3 a试验周期，仅湿热海洋大气环境下的抗拉强度下降了5%，其余三种环境中的抗拉强度无明显变化；断后伸长率方面，暖温高原环境下变化较小，其余三种环境下下降较多，湿热海洋、干热沙漠和寒冷乡村大气环境下分别下降了25%、17%、12%。7B50-T77511铝合金在四种典型大气环境中暴露3 a试验周期，其抗拉强度和断后伸长率均表现出一定程度的先升后降（这一现象的产生原因还有待进一步分析），断后伸长率的变化更为明显。与0.5 a试验周期相比，在四种大气环境下暴露3 a后的断后伸长率分别下降了33%、15%、9%、21%，抗拉强度方面则仅湿热海洋大气环境下有小幅下降（与0.5 a相比下降了约4%）。7B50铝合金力学性能的对比表明，环境腐蚀作用对7B50铝合金断后伸长率的影响比对抗拉强度的影响更为明显，这可能是由于材料表面形成的大量点蚀坑在承受应力时容易产生应力集中，降低了材料的韧性[19-20]。

图7 7B50-T7751和7B50-T77511铝合金在典型大气环境中的拉伸性能变化曲线 Fig.7 Changing curve of tensile property of 7B50-T7751 and 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment: a) tensile strength of 7B50-T7751; b) tensile strength of 7B50-T77511; c) elongation after fracture of 7B50-T7751; d) elongation after fracture of 7B50-T77511

3 结论

1）7B50铝合金在湿热海洋大气环境中腐蚀最为严重，干热沙漠环境次之，在寒冷乡村和暖温高温环境中腐蚀较为轻微。7B50-T7751板材和7B50- T77511型材暴露在相同大气环境中时，前者的耐蚀性相对略好。

2）7B50铝合金在四种典型大气环境中均主要表现为点蚀和晶间腐蚀的混合腐蚀，具有明显晶间腐蚀和剥蚀倾向性。

3）暴露试验周期为3 a时，7B50-T7751铝合金在湿热海洋大气环境和干热沙漠大气环境中的局部最大腐蚀深度分别为166 μm和44 μm；7B50-T77511铝合金在四种典型大气环境中的局部最大腐蚀深度分别为141、80、42、29 μm。

4）暴露试验周期为3 a时，7B50-T7751铝合金的抗拉强度在湿热海洋大气环境中下降了5%，在其余三种环境中无明显变化；断后伸长率在湿热海洋、干热沙漠和寒冷乡村大气环境下分别下降了25%、17%、12%。7B50-T77511铝合金的抗拉强度和断后伸长率均表现出一定程度的先升后降，与0.5 a试验周期相比，断后伸长率分别下降了33%、15%、9%、21%，在湿热海洋大气环境下的抗拉强度下降了约4%。