兩種鋁合金連接結(jié)構(gòu)的腐蝕-疲勞循環(huán)試驗(yàn)研究

趙連紅，張紅飛，葉遠(yuǎn)桁，劉成臣，劉元海，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

2024 鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系列鋁合金，具有高強(qiáng)度和高抗疲勞性能等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空制造使用中發(fā)揮著重要作用。通常以蒙皮、隔框、翼肋、翼梁等形式運(yùn)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。隨著我國深海戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)實(shí)施，飛機(jī)在沿海地區(qū)和海域的服役機(jī)會逐漸增多，長期的高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷海洋環(huán)境極易引起2024 鋁合金材料腐蝕[3-5]。特別是其連接結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)自身縫隙和局部損傷等在海洋環(huán)境下更易腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)腐蝕破壞直接影響飛機(jī)安全和可靠性[6-7]。不同的連接方式往往在相同腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)腐蝕程度不同。丁傳富[8]開展了飛機(jī)典型機(jī)械緊固連接件腐蝕疲勞性能的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[9]研究了預(yù)腐蝕環(huán)境下鋁合金典型螺栓單搭接件疲勞壽命研究。譚曉明[10]、盧松濤[11]、賀小帆[12]等從腐蝕環(huán)境下金屬連接結(jié)構(gòu)的腐蝕規(guī)律著手，得到連接方式對于結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命有重要影響。徐永祥[13]從金屬機(jī)體腐蝕規(guī)律和涂層失效兩個方面解釋了結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命差異。

基于此，文中在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下，研究了鋁合金鉚接連接和螺接連接兩種連接形式的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕損傷發(fā)展特性。同時參考文獻(xiàn)[14]腐蝕和疲勞交替試驗(yàn)方法，開展腐蝕疲勞試驗(yàn)，對比腐蝕疲勞壽命值，研究連接方式對2024 鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞性能影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

試樣材料為2024-T3 板材，其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)件為啞鈴狀試驗(yàn)，連接形式分為鋼制螺栓連接和鋁制鉚釘連接兩種。鋼制螺栓連接試驗(yàn)件的平行試樣數(shù)量為5 件，其長度為288.6 mm，如圖1 所示。試驗(yàn)件選用兩種典型的防護(hù)體系，其中表面處理采用硫酸陽極化，防護(hù)涂層N1 由新型納米涂料(40～50) μm+ TS96-71 面漆面漆(40～50) μm 構(gòu)成，防護(hù)涂層N2 由TB06-9 底漆(15～25) μm+TS96-71 面漆(40～50) μm 構(gòu)成。鋁制鉚釘連接試驗(yàn)件的長度為303.26 mm，如圖2 所示，兩種典型的防護(hù)體系與螺栓連接試驗(yàn)件一致。對N1 涂層，內(nèi)表面噴涂1 層新型納米涂料底漆（有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料）+外表面噴涂 1 層TS96-71 面漆；對N2 涂層，內(nèi)表面噴涂2 層TB06-9底漆+外表面噴涂1 層TS96-71 面漆。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

圖1 螺栓連接試驗(yàn)件

圖2 鉚釘連接試驗(yàn)件

1.2 腐蝕疲勞試驗(yàn)

按照文獻(xiàn)[15]關(guān)于典型結(jié)構(gòu)試樣評定涂層防護(hù)有效性評估方法的試驗(yàn)過程要求，開展兩種連接試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)。開展靜力試驗(yàn)確定螺栓連接試驗(yàn)件的破壞載荷P破壞均為91 131 N，鉚釘連接試驗(yàn)件的破壞載荷P破壞均為74 981 N，測定兩種試驗(yàn)件在各自0.3P破壞載荷下的疲勞壽命NP，每次疲勞加載的次數(shù)為疲勞壽命Np的20%，每一次加載次數(shù)記為Nui，i=1，2，…4，試驗(yàn)件破壞之前的最后一次加載記為剩余疲勞壽命Nu剩余，具體試驗(yàn)步驟如下所述。

1）將試驗(yàn)件安裝于疲勞試驗(yàn)機(jī)上，取靜力破壞試驗(yàn)載荷0.3P破壞作為疲勞試驗(yàn)載荷，應(yīng)力比R=0.5，以10 Hz 頻率加載20%Np次。對試樣進(jìn)行目視，記錄實(shí)際加載次數(shù)Nu1、檢測記錄試驗(yàn)件防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的損傷狀態(tài)。

2）取下試驗(yàn)件，將試驗(yàn)件放置于試驗(yàn)室中進(jìn)行30 天標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧（5%NaCl）試驗(yàn)。對試樣進(jìn)行目視，記錄防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的狀態(tài)和表面腐蝕程度。

3）重復(fù)步驟1）、2）1 次，將試驗(yàn)件安裝于疲勞試驗(yàn)機(jī)上，取靜力破壞試驗(yàn)載荷0.3P破壞作為疲勞試驗(yàn)載荷，應(yīng)力比R=0.5，以10 Hz 頻率加載，加載次數(shù)為Nu2，檢測記錄試驗(yàn)件防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的損傷狀態(tài)。依次開展疲勞和腐蝕試驗(yàn)直至試驗(yàn)件破壞，記錄試驗(yàn)件的剩余疲勞壽命Nu剩余，并對試樣防護(hù)涂層、鉚釘、螺栓的狀態(tài)損傷情況、腐蝕情況和試驗(yàn)件的破壞形貌進(jìn)行記錄。

4）更換涂有防護(hù)涂層的試驗(yàn)件，重復(fù)步驟1）、2）、3），完成試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 殘余疲勞強(qiáng)度分析

螺栓連接試驗(yàn)件在第三個周期的疲勞試驗(yàn)中 破壞，鉚釘連接試驗(yàn)件在第二個周期的疲勞試驗(yàn)件中破壞。對鋼制螺栓連接試驗(yàn)件而言，GZLSLJ1 試驗(yàn)件（納米涂料防護(hù)體系防護(hù)）在腐蝕環(huán)境下，其疲勞壽命下降至自身疲勞壽命的 51.5%左右，GZLSLJ2 試驗(yàn)件（2 層TB06-9+1 層TS96-71 防護(hù)體系）下降至自身疲勞壽命的49.8%左右。按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》，疲勞中值壽命要滿足 95%置信度要求，GZLSLJ1試驗(yàn)件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的5 組殘余疲勞壽命值的變異系數(shù)為 0.0222；GZLSLJ2 試驗(yàn)件為0.0107，符合HB 5287—1996 的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效。

鋁制鉚釘連接試驗(yàn)件，LZMDLJ1 試驗(yàn)件（納米涂料防護(hù)體系）在腐蝕環(huán)境下其疲勞壽命下降至自身疲勞壽命的22.56%左右，LZMDLJ2 試驗(yàn)件（2 層TB06-9+1 層TS96-71 防護(hù)體系）下降至自身疲勞壽命的22.32%左右。按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》，疲勞中值壽命要滿足95%置信度要求，LZMDLJ1 試驗(yàn)件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的 5 組殘余疲勞壽命值的變異系數(shù)為 0.0034，LZMDLJ2 試驗(yàn)件為0.0262，符合HB 5287—1996 的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效。通過對比分析螺栓連接試驗(yàn)件和鋁制鉚釘連接試驗(yàn)件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的殘余疲勞壽命，5%NaCl 鹽霧環(huán)境對鋁制鉚釘連接試驗(yàn)件腐蝕影響較為嚴(yán)重。

表2 腐蝕疲勞試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)的殘余疲勞壽命

2.2 斷口形貌分析

在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下，兩種鋼制螺栓連接試驗(yàn)件均在第三個周期的試驗(yàn)中破壞斷裂，疲勞破壞的位置均在試驗(yàn)件螺接部位第一排緊固件孔區(qū)域，具體腐蝕情況和斷裂形貌如圖3 所示。鋼制螺栓連接試驗(yàn)件通過納米涂料和傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆）兩種涂層的防護(hù)，殘余疲勞壽命值下降為疲勞壽命值的50%左右。鋼制螺栓連接試驗(yàn)件在受到疲勞載荷作用下，試驗(yàn)件緊固件連接部位的涂層破壞，如圖4 所示。腐蝕介質(zhì)穿過涂層，進(jìn)入涂層內(nèi)部，腐蝕金屬基體，導(dǎo)致鋼制螺栓連接試驗(yàn)件在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下殘余疲勞壽命值下降。同時納米涂料相較于傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆），涂層自身對基底金屬起到鈍化作用。當(dāng)涂層發(fā)生破壞后，涂料中的磷酸鹽作為修復(fù)劑，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成新的致密涂層，有效阻止外界腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部[16]，降低了腐蝕介質(zhì)與緊固件孔壁發(fā)生腐蝕的可能性，減少產(chǎn)生腐蝕損傷源的概率，降低了試驗(yàn)件連接部位裂紋源產(chǎn)生導(dǎo)致的疲勞破壞。因此，納米涂料對于2024鋁合金鋼制螺栓連接結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用更好。

在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下，兩種鋁制鉚釘連接試驗(yàn)件均在第二個周期的試驗(yàn)中破壞斷裂，疲勞破壞的位置均在試驗(yàn)件鉚接部位第一排緊固件孔區(qū)域。具體腐蝕情況和斷裂宏觀形貌如圖5 所示，斷口形貌的微觀照片如圖6 所示。鋁制鉚接連接試驗(yàn)件通過納米涂料和傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆）兩種涂層的防護(hù)，殘余疲勞壽命值下降為疲勞壽命值的22%左右。說明鋁制鉚接連接試驗(yàn)件在受到疲勞載荷作用下，試驗(yàn)件緊固件孔與鉚釘之間的涂層破壞較為嚴(yán) 重，大量腐蝕介質(zhì)穿過涂層進(jìn)入涂層內(nèi)部，腐蝕金屬基體。在緊固件孔壁發(fā)生腐蝕損傷，形成腐蝕損傷源，極大地促進(jìn)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞提前發(fā)生，導(dǎo)致鋁制鉚接連接試驗(yàn)件的殘余疲勞壽命值減少很多。同時，相較于傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆），納米涂層表面有較大裂紋和縫隙時，對基底金屬的鈍化作用和自修復(fù)作用已經(jīng)喪失[16]，無法阻止外界腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)與緊固件孔壁金屬發(fā)生腐蝕的可能性增大，增加腐蝕損傷源的概率，致使試驗(yàn)件提前發(fā)生腐蝕疲勞破壞。

圖3 鋼制螺栓連接試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口照片

圖4 鋼制螺栓試驗(yàn)件緊固件孔與螺栓之間的涂層破壞

圖5 鋁制鉚釘栓連接試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口照片

圖6 LZMDLJ2 試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口微觀照片

開展5%NaCl 鹽霧環(huán)境下兩種2024 鋁合金連接件的腐蝕疲勞試驗(yàn)，對比2024 鋁合金連接件在兩套涂層體系下的殘余疲勞壽命。研究得到，2024 合金連接結(jié)構(gòu)采用0.3P破壞為疲勞載荷，在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下，相較于鋁制鉚接連接形式，鋼制螺栓連接緊固件孔壁與螺栓件的涂層破壞區(qū)域較少，防護(hù)涂層能有效地阻止腐蝕介質(zhì)穿過涂層進(jìn)入涂層內(nèi)部，腐蝕金屬基體，有效降低鋼制螺栓連接件的殘余疲勞壽命減少量。通過比較2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)在兩種涂層表現(xiàn)出的腐蝕疲勞性能差異，納米涂料對鋼制螺栓試驗(yàn)件的防護(hù)效果更好。說明納米涂層在發(fā)生輕微破壞后，能通過對基底金屬的鈍化作用和自修復(fù)作用仍然對結(jié)構(gòu)有較好的防護(hù)作用。當(dāng)納米涂層表面出現(xiàn)較大裂紋或者較嚴(yán)重破壞后，自身無法修復(fù)，不能有效防護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，通過研究2024 鋁合金兩種連接結(jié)構(gòu)在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的腐蝕性能特點(diǎn)，綜合分析金屬結(jié)構(gòu)的連接形式和受載特點(diǎn)，合理選用防護(hù)涂層體系，能有效增加防護(hù)涂層防護(hù)效果，提高2024 鋁合金連接結(jié)構(gòu)在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的殘余疲勞壽命值。

4 結(jié)論

1） 5%NaCl 鹽霧環(huán)境對于鋁合金連接結(jié)構(gòu)的殘余疲勞壽命影響較大，在鹽霧環(huán)境和載荷的共同作用下，腐蝕破壞緊固件連接部位的涂層，引起緊固件連接部位發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞壽命降低。

2）相較于2024 鋁合金鋁制鉚接結(jié)構(gòu)，鋼制螺接結(jié)構(gòu)在0.3P破壞的疲勞載荷作用下，鋼制螺接結(jié)構(gòu)在5%NaCl 鹽霧環(huán)境下的腐蝕損傷較少，對殘余壽命的影響較小。

3）通過分析納米涂層和傳統(tǒng)涂層（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆）的防護(hù)性能、連接形式、腐蝕環(huán)境和載荷作用，防護(hù)涂料的選取等因素對連接結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)性能的影響較大。