基于腐蝕等級(jí)的航空鋁合金腐蝕當(dāng)量關(guān)系

劉治國(guó)，李旭東，穆志韜

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，青島266041）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在機(jī)場(chǎng)環(huán)境作用下的腐蝕損傷會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和力學(xué)壽命［1-2］。因此，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命評(píng)定研究中必須考慮到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷。飛機(jī)的服役年限一般超過(guò)25a，大修周期在5～10a期間。若對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料采用與服役年限等時(shí)間的環(huán)境試驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)腐蝕損傷，考慮到人力、經(jīng)費(fèi)及項(xiàng)目研究進(jìn)度等實(shí)際因素，在工程上不可接受，因此，通常都采用實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕損傷，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)壽命分析。

相關(guān)研究表明［3-6］，當(dāng)量關(guān)系的建立通常采用下述三種方法：以金屬腐蝕電流Ic為計(jì)算基準(zhǔn)的當(dāng)量折算法；以腐蝕損傷為基準(zhǔn)的腐蝕程度對(duì)比法；基于腐蝕損傷相同則疲勞強(qiáng)度相同的疲勞強(qiáng)度（壽命）對(duì)比法。由于腐蝕等級(jí)是基于孔蝕（點(diǎn)蝕）率計(jì)算分析，較為真實(shí)合理地量化表示出飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕損傷程度［7-8］，因此可采用腐蝕等級(jí)為度量參數(shù)，采用基于腐蝕程度對(duì)比法進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料不同環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系研究，本工作以航空LY12CZ鋁合金為研究對(duì)象在此方面進(jìn)行了探討與分析。

1 基本定義與原理

1.1 當(dāng)量關(guān)系定義與表示形式

當(dāng)量關(guān)系是飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)定研究中經(jīng)常采用的一種理論及方法，該關(guān)系的建立及確定是進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和模擬件加速腐蝕試驗(yàn)的關(guān)鍵，因此當(dāng)量關(guān)系相關(guān)研究在飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)定研究中占有重要地位。當(dāng)量關(guān)系的定義為［3-6］：飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在機(jī)場(chǎng)環(huán)境和加速試驗(yàn)環(huán)境中達(dá)到相同腐蝕程度時(shí)，機(jī)場(chǎng)環(huán)境作用時(shí)間T（年）與加速腐蝕環(huán)境作用時(shí)間t（天數(shù)、小時(shí)數(shù)）的比值。表達(dá)形式為：

式中：k通常稱為當(dāng)量關(guān)系系數(shù)或當(dāng)量折算系數(shù)，表示加速腐蝕1h（天）相當(dāng)于機(jī)場(chǎng)環(huán)境腐蝕k年的腐蝕損傷程度。

1.2 腐蝕等級(jí)及其評(píng)定

腐蝕等級(jí)是度量材料表面腐蝕損傷程度的物理量。由于航空金屬材料在進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)普遍需進(jìn)行一定的表面處理，因此，根據(jù)HB5192《鍍層和化學(xué)覆蓋層表觀腐蝕等級(jí)評(píng)定方法》中規(guī)定，航空金屬材料的腐蝕等級(jí)通常采用其表面孔蝕率來(lái)進(jìn)行評(píng)定?？孜g率的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：η表示孔蝕率，S0表示考核區(qū)域腐蝕斑點(diǎn)面積，S1表示考核區(qū)域總面積面積，C為腐蝕深度修正系數(shù)，根據(jù)HB5192中規(guī)定，腐蝕等級(jí)F與孔蝕率η的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1所示，因此確定航空金屬材料的腐蝕等級(jí)F首先應(yīng)計(jì)算其表面的孔蝕率η。由式（2）知，孔蝕率是經(jīng)腐蝕面積測(cè)量和計(jì)算而得，腐蝕等級(jí)真實(shí)合理地反映了金屬材料的腐蝕損傷程度，可以采用腐蝕等級(jí)為度量參數(shù)，采用腐蝕程度對(duì)比法進(jìn)行當(dāng)量關(guān)系研究。

表1 航空金屬材料腐蝕等級(jí)與其孔蝕率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 航空LY12CZ鋁合金試件定級(jí)加速腐蝕

本工作采用弱酸性溶液對(duì)航空LY12CZ鋁合金試件進(jìn)行定級(jí)加速腐蝕試驗(yàn)，溶液成份見(jiàn)表2所示。

表2 腐蝕溶液成分 %

試件尺寸如圖1所示，試驗(yàn)前，根據(jù)GJB 594-1988-《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》，采用鉻酸陽(yáng)極化對(duì)其進(jìn)行表面處理（厚度約3μm），然后用無(wú)水乙醇清潔試件表面，完全去除表面油污，并用蒸餾水清洗晾干。試驗(yàn)時(shí)，試件均勻放置于托架上并完全浸泡在溶液中，如圖2所示。

在試驗(yàn)初期每浸泡2h取出試件晾曬2h，晾曬后觀察試件表面腐蝕情況并進(jìn)行腐蝕面積測(cè)量及腐蝕等級(jí)評(píng)定。在試驗(yàn)中后期，隨著腐蝕程度的加重，檢查間隔逐漸縮短以確保得到滿足要求的腐蝕等級(jí)試件。在LY12CZ試件腐蝕整個(gè)過(guò)程中，腐蝕初期，試件表面鈍化膜破壞，出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)；后斑點(diǎn)逐漸擴(kuò)大加深，呈點(diǎn)蝕（孔蝕）特征；腐蝕中后期，點(diǎn)蝕穿透鈍化膜進(jìn)入基體，基體剝蝕，起皮剝落，出現(xiàn)灰白色腐蝕產(chǎn)物。上述加速腐蝕過(guò)程與飛機(jī)LY12CZ結(jié)構(gòu)在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中的腐蝕損傷模式與腐蝕機(jī)理較為相似［9-10］，都是從點(diǎn)蝕開(kāi)始、穿透基體進(jìn)而發(fā)展至剝蝕，并且加速腐蝕試件的表面處理與其飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用時(shí)相同，因此可以利用本加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行當(dāng)量關(guān)系研究。部分腐蝕等級(jí)的試件表面腐蝕形貌如圖3所示。通過(guò)計(jì)時(shí)，部分腐蝕等級(jí)F所需的加速腐蝕時(shí)間tF如表3所示。

3 飛機(jī)LY12CZ結(jié)構(gòu)機(jī)場(chǎng)環(huán)境下腐蝕等級(jí)評(píng)定

將LY12CZ鋁合金材料放置在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行自然腐蝕，然后測(cè)量其腐蝕面積，通過(guò)計(jì)算進(jìn)而確定腐蝕等級(jí)，這一過(guò)程需要周期較長(zhǎng)，一般需要十?dāng)?shù)年，研究上難以接受。因而本工作采用某型服役多年的現(xiàn)役飛機(jī)LY12CZ結(jié)構(gòu)腐蝕測(cè)量結(jié)果進(jìn)行該材料的機(jī)場(chǎng)環(huán)境下腐蝕等級(jí)評(píng)定研究，該型機(jī)目前服役已接近30a，在對(duì)該型機(jī)進(jìn)行的腐蝕損傷普查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該型機(jī)機(jī)翼前梁附近的蒙皮下壁板部位潮濕空氣和水分易進(jìn)入并在此存積，且該部位較隱蔽，難以直觀檢查，造成該部位結(jié)構(gòu)材料腐蝕嚴(yán)重，且該部位結(jié)構(gòu)材料為L(zhǎng)Y12CZ鋁合金，所以選定該型機(jī)機(jī)翼前梁附近的蒙皮下壁板為腐蝕檢查及腐蝕等級(jí)評(píng)定研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)部分腐蝕形貌見(jiàn)圖4所示。根據(jù)多架該型機(jī)此部位表觀的腐蝕現(xiàn)象觀察和選定區(qū)域腐蝕面積實(shí)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)服役25a左右的該部位腐蝕等級(jí)接近4級(jí)，從偏保守角度考慮，因此認(rèn)為航空LY12CZ鋁合金材料在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中腐蝕25a的腐蝕等級(jí)為4級(jí)，即TF4＝25a。

表3 試件腐蝕周期對(duì)應(yīng)腐蝕等級(jí)表

圖4 某型機(jī)LY12CZ鋁合金結(jié)構(gòu)外觀腐蝕形貌

4 航空LY12CZ鋁合金兩種環(huán)境下腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，以腐蝕等級(jí)F＝4為度量基準(zhǔn)，得到航空LY12CZ鋁合金兩種環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系為：

將k＝0.95帶入式（1），聯(lián)系表3，可得機(jī)場(chǎng)環(huán)境中LY12CZ鋁合金材料腐蝕等級(jí)F與腐蝕年限T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表4所示。

表4 不同腐蝕等級(jí)下的加速腐蝕周期與機(jī)場(chǎng)環(huán)境腐蝕周期

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，可以得到機(jī)場(chǎng)環(huán)境下航空LY12CZ鋁合金腐蝕周期T與腐蝕等級(jí)F關(guān)系曲線，如圖5所示

圖5 LY12CZ鋁合金機(jī)場(chǎng)環(huán)境下腐蝕周期與腐蝕等級(jí)關(guān)系曲線

從圖5可見(jiàn)，LY12CZ鋁合金腐蝕周期在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中腐蝕周期T與腐蝕等級(jí)F符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行擬合，得到機(jī)場(chǎng)環(huán)境中航空LY12CZ鋁合金腐蝕周期T與腐蝕等級(jí)F關(guān)系函數(shù)為：

依據(jù)表4和圖5，可認(rèn)為航空LY12CZ鋁合金材料在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中的腐蝕等級(jí)變化較為緩慢，達(dá)到腐蝕等級(jí)1時(shí)的機(jī)場(chǎng)環(huán)境作用時(shí)間是6.6a，約等于7a左右，這與實(shí)際情況較為吻合，這是因?yàn)轱w機(jī)LY12CZ鋁合金結(jié)構(gòu)表面涂有涂層，涂層的失效期通常為5～6a［11-12］，涂層失效后鋁合金結(jié)構(gòu)才開(kāi)始出現(xiàn)點(diǎn)蝕狀況，因此其腐蝕狀況達(dá)到腐蝕等級(jí)1時(shí)通常為7a左右，并且鋁合金結(jié)構(gòu)在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中由點(diǎn)蝕發(fā)展至剝蝕（腐蝕等級(jí)5以上）周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，圖5中也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。以上分析說(shuō)明了本工作基于腐蝕等級(jí)獲得的航空LY12CZ鋁合金材料于兩種環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系是可行和合理的。

5 結(jié)論

所獲當(dāng)量關(guān)系較為準(zhǔn)確地反映了兩種環(huán)境中航空LY12CZ鋁合金材料腐蝕時(shí)間的對(duì)應(yīng)折算關(guān)系。因此本工作所采用的研究方法和研究結(jié)論應(yīng)可為飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命相關(guān)研究提供新的研究思路和理論基礎(chǔ)。

［1］楊曉華，姚衛(wèi)星，陳躍良.日歷腐蝕環(huán)境下LY12CZ鋁合金力學(xué)性能研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2003，25（2）：227-228.

［2］董登科，王俊揚(yáng)，薛景川.考慮環(huán)境腐蝕試驗(yàn)和日歷使用壽命修正方法［J］.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，1999，20（2）：45-50.

［3］周希沅.中國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的當(dāng)量環(huán)境譜與加速試驗(yàn)譜［J］.航空學(xué)報(bào)，1996，17（5）：613-616.

［4］穆志韜，柳文林.飛機(jī)服役環(huán)境當(dāng)量加速腐蝕折算方法研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（3）：301-304.

［5］陳躍良，段成美，金平.飛機(jī)結(jié)構(gòu)局部環(huán)境加速腐蝕當(dāng)量譜［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31（3）：338-340.

［6］陳群志，李喜明，劉文，等.飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型環(huán)境腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究［J］.航空學(xué)報(bào)，1998，19（4）：414-418.

［7］朱做濤，穆志韜，蘇維國(guó)，等.基于圖像處理技術(shù)的鋁合金腐蝕等級(jí)評(píng)定方法［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（6）：383-385.

［8］蘇維國(guó)，郭少臣，周繼廣，等.基于不變矩理論的腐蝕等級(jí)評(píng)定方法研究［J］.裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：17-22.

［9］王逾涯，韓恩厚，孫祚東，等.LY12CZ鋁合金在EXCO溶液中的腐蝕行為研究［J］.裝備環(huán)境工程，2005，2（1）：20-24.

［10］陳群志，崔常京，孫祚東，等.LY12CZ鋁合金腐蝕損傷的概率分布及其變化規(guī)律［J］.裝備環(huán)境工程，2005，2（3）：1-6.

［11］林再興.沿海飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)［J］.裝備環(huán)境工程，2005，2（1）：83-88.

［12］胡艷玲，李荻，郭寶蘭.LY12CZ鋁合金型材的腐蝕動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究及日歷壽命預(yù)測(cè)方法研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2000，21（增刊）：53-57.