四種典型大氣環(huán)境下7B50鋁合金 的腐蝕行為研究

鐘勇，蘇艷，羅來正，吳洋,2，楊華明,3，陳喜棟,4，趙全成,5， 吳帥，朱玉琴，舒暢，滕俊鵬

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.黑龍江漠河大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江 漠河 165300；3.西藏拉薩大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，拉薩 850100； 4.海南大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，海南 萬寧 571522； 5.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 敦煌 736200）

7B50合金屬于鋁-鋅-鎂-銅系，是可熱處理強化的新型高性能鋁合金。7B50合金是在7050合金的基礎(chǔ)上提高合金中的銅元素含量及Zn/Mg比（鋅在7B50合金中的質(zhì)量分數(shù)比在7050合金中高0.3%），優(yōu)化合金元素含量（Ti在7B50合金中的質(zhì)量分數(shù)比在7050合金中高0.04%，另含有質(zhì)量分數(shù)為0.0002%～ 0.002%的Be以提高氧化膜的致密性，減輕或防止熔煉時鎂的燒損）研發(fā)出來的，具有較高的綜合性能，已在航空航天工程領(lǐng)域得到應(yīng)用[1-2]。與7050合金相比，7B50合金的沿板材厚度方向的抗拉強度提高約5%，斷裂韌度提高約10%，強度和斷裂韌度的綜合匹配性更優(yōu)。該合金與美國的7150鋁合金相近，主要有T74、T77等時效狀態(tài)。其中，T74狀態(tài)為過時效處理，具有良好的抗剝落腐蝕性能；T77狀態(tài)為回歸時效處理，具有高的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能及抗剝落腐蝕性能?？傮w來看，7B50鋁合金具有密度低、加工性能優(yōu)良、力學(xué)性能好、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，可 應(yīng)用于飛機整體框、梁、接頭等主承力結(jié)構(gòu)。

目前，針對7B50鋁合金的研究主要集中在均勻化處理、組織結(jié)構(gòu)、加工制造、本征力學(xué)性能等方面，對其腐蝕性能的研究十分有限。劉維等[3]研究了再時效對過時效7B50合金力學(xué)性能和腐蝕性能的影響，指出7B50合金在雙極過時效和再時效的峰值點具有最高的抗剝落腐蝕性能和最低的應(yīng)力腐蝕敏感性。Xu Xing-chen等[4-6]分析了超聲軋制對7B50-T7751鋁合金表面完整性及腐蝕疲勞行為的影響，研究了氯化鈉溶液中預(yù)腐蝕對7B50-T7751鋁合金力學(xué)性能的影響，指出7B50-T7751合金中粗大且不連續(xù)分布的晶界降低了晶間腐蝕和氫脆敏感性。肖代紅等[7]研究了微量Ag對7B50鋁合金的組織與腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)微量Ag的添加影響了鑄態(tài)合金的組織，降低了擠壓態(tài)合金的再結(jié)晶程度，同時也降低了時效態(tài)合金的抗剝落腐蝕性能。孫擎擎等[8-10]研究了大氣污染物、氯離子濃度、溫度、外加應(yīng)力、氨基酸等對7B50鋁合金電化學(xué)腐蝕性能的影響，獲取了7B50鋁合金在不同腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)腐蝕行為。上述對7B50鋁合金腐蝕現(xiàn)象的研究主要集中在實驗室水溶液環(huán)境中，對自然環(huán)境下的腐蝕性能研究的報道極少，Zhao Qi-yue等[11]開展了工業(yè)海洋和北方半鄉(xiāng)村大氣環(huán)境戶外暴露試驗，研究了7B50鋁合金在硫酸陽極氧化處理后的腐蝕行為和腐蝕機理。

對回歸再時效處理后的7B50-T7751和7B50- T77511兩種鋁合金試樣在濕熱海洋、干熱沙漠、寒冷鄉(xiāng)村、暖溫高原四種典型大氣環(huán)境下的腐蝕行為進行對比研究，探討了7B50鋁合金在不同大氣環(huán)境中的耐蝕性差異，剖析了7B50鋁合金的腐蝕特征及規(guī)律，為該類合金的推廣應(yīng)用和超高強鋁合金及其防護 工藝的研發(fā)改進提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 試樣

原材料為7B50-T7751軋制板材和7B50-T77511擠壓型材，由西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1。7B50鋁合金T7751狀態(tài)和T77511狀態(tài)的區(qū)別主要在于，前者適用于加工成按規(guī)定量進行拉伸的板材、軋制或精整的棒材及模鍛件、鍛環(huán)、軋制環(huán)（拉伸后不再進行矯直），后者適用于加工成按規(guī)定量進行拉伸的擠壓棒材、型材、管材、拉制管材（拉伸后可略微矯直）。

表1 7B50鋁合金的化學(xué)成分 Tab.1 Chemical compositions of 7B50 aluminum alloy ω%

試驗前，采用機械加工方式將7B50-T7751軋制板材和7B50-T77511擠壓型材各自分別加工成平板試樣和棒狀拉伸試樣兩種類型。平板試樣尺寸為100 mm×50 mm×(2.7～3.0) mm，用于宏觀腐蝕形貌分析、金相顯微形貌分析和腐蝕深度分析。棒狀拉伸試樣按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的有關(guān)規(guī)定制備（平行段直徑d=5.0 mm），用于抗拉強度Rm和斷后伸長率A的測試。

1.2 試驗方法

參照GB/T 14165—2008《金屬和合金 大氣腐蝕試驗 現(xiàn)場試驗的一般要求》和GJB 8893—2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗方法》的相關(guān)規(guī)定，采用戶外大氣自然環(huán)境暴露試驗方法，在濕熱海洋大氣環(huán)境的海南試驗站、干熱沙漠大氣環(huán)境的甘肅敦煌試驗站、寒冷鄉(xiāng)村大氣環(huán)境的黑龍江漠河試驗站、暖溫高原大氣環(huán)境的西藏拉薩試驗站開展戶外大氣自然環(huán)境暴露試驗。試樣受試面朝南，與水平面呈45°角安裝于試樣架上，直接經(jīng)受戶外大氣環(huán)境的綜合作用，對比研究兩種7B50鋁合金試樣在不同大氣環(huán)境中的腐蝕特征和性能演變規(guī)律。

1.3 試樣檢測與分析

1）宏觀腐蝕形貌分析。試驗過程中持續(xù)目視觀察試樣的宏觀腐蝕形貌，在四種試驗環(huán)境中，每種鋁合金分別固定3件平行樣，用于宏觀腐蝕形貌觀測。

2）金相顯微分析和腐蝕深度分析。按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的相關(guān)規(guī)定，采用Observe.A1m型金相顯微鏡對試驗前后試樣的金相顯微組織和腐蝕深度進行觀察，在試驗周期為0、0.5、1、2、3 a時取樣檢測，每次取1件試樣，在試樣腐蝕明顯處檢測2～6個點。在四種環(huán)境的不同周期中，每種鋁合金分別固定1件平行樣，用于金相顯微分析和腐蝕深度分析。

3）拉伸性能。按照GB/T 228.1—2010的相關(guān)規(guī)定，采用MTS 880電液伺服材料試驗機，測試試驗前后試樣的抗拉強度Rm和斷后伸長率A，在試驗周期為0、0.5、1、2、3 a時取樣檢測，每次檢測5件平行樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 7B50鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)

圖1是7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金的典型顯微組織。7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金的金相顯微組織均表現(xiàn)為α-Al基體+強化相，晶粒沿壓延方向拉長。然而，兩種鋁合金的強化相尺寸、分布和形狀明顯不同，前者組織存在混晶現(xiàn)象，晶粒較細，強化相分布相對均勻，局部呈帶狀；后者晶粒較粗，強化相沿晶界析出呈細小粒狀。兩種鋁合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與其宏觀腐蝕性能密切相關(guān)，特別是由于晶界處強化相的電化學(xué)活性與基體存在一定差異，可能導(dǎo)致7B50-T77511鋁合金更易發(fā)生晶間腐蝕、剝蝕等局部腐蝕現(xiàn)象[12,13]。

2.2 7B50鋁合金腐蝕特征分析

7B50-T7751和7B50-T77511兩種鋁合金試樣暴露在四種典型大氣環(huán)境下0.5～3 a的宏觀腐蝕形貌如圖2、圖3所示，主要環(huán)境參數(shù)見表2。

表2 四個試驗站的主要環(huán)境參數(shù) Tab.2 Main environmental parameters of four test sites

圖2 7B50-T7751鋁合金在典型大氣環(huán)境中的宏觀腐蝕形貌 Fig.2 Macrocorrosion morphology of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖3 7B50-T77511鋁合金在典型大氣環(huán)境中的宏觀腐蝕形貌 Fig.3 Macrocorrosion morphology of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

定期目視檢查發(fā)現(xiàn)，7B50-T7751板材暴露于濕熱海洋大氣環(huán)境中表現(xiàn)為中度點蝕（試樣表面50%以上面積出現(xiàn)明顯腐蝕，腐蝕點連成片狀趨勢明顯）、伴隨著灰白色腐蝕產(chǎn)物（見圖2a）；在干熱沙漠環(huán)境中表現(xiàn)為大量密集黑色腐蝕斑（見圖2b）；在寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高溫環(huán)境中暴露3年腐蝕不明顯（故圖2中沒有放置7B50-T7751鋁合金在漠河站和拉薩站的宏觀腐蝕形貌照片）。然而，7B50-T77511型材暴露于濕熱海洋大氣環(huán)境中則表現(xiàn)為重度點蝕（腐蝕遍布試樣表面，目視腐蝕向縱深發(fā)展趨勢明顯），伴隨著灰白色腐蝕產(chǎn)物（見圖3a）；在干熱沙漠環(huán)境中與7B50- T7751相同，表現(xiàn)為大量密集黑色腐蝕斑（見圖3b）；在寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高溫環(huán)境中暴露3 a，只出現(xiàn)輕微點蝕和少量腐蝕黑斑（因宏觀照片在較小尺寸下難以顯現(xiàn)局部腐蝕細節(jié)，故圖3中沒有放置7B50-T77511鋁合金在漠河站和拉薩站的宏觀腐蝕形貌照片）。宏觀腐蝕形貌對比表明，7B50鋁合金在濕熱海洋大氣環(huán)境的海南站腐蝕最為嚴重，敦煌站次之，在寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高溫環(huán)境中較為輕微。7B50-T7751板材和7B50-T77511型材在相同典型大氣環(huán)境中的耐蝕性也表現(xiàn)出一定差異，前者耐蝕性相對略好。

由表2環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)得知，海南站具有典型的“高溫、高濕、高鹽”環(huán)境特征，對7B50鋁合金具有較大的腐蝕危害。由于相對濕度高、氯離子含量高，鋁合金表面易形成電解液膜，導(dǎo)致點蝕發(fā)生，加之氯離子對鋁合金氧化膜和腐蝕產(chǎn)物的穿透、吸附作用[14-16]，鋁合金表面生成的腐蝕產(chǎn)物膜較為疏松，對基體的保護作用較弱，隨暴露時間的延長，腐蝕逐漸由點成面，不斷向縱深發(fā)展。敦煌站雖然年均相對濕度特別低（僅為41%），但大氣中年均氯離子沉積量比漠河站和拉薩站要高出不少（這與敦煌站所處的鹽堿地環(huán)境有關(guān)），氯離子的存在促進了敦煌站7B50鋁合金表面點蝕的發(fā)生，導(dǎo)致其腐蝕程度明顯比漠河站和拉薩站嚴重。但由于鋁合金表面難以形成有效的連續(xù)薄液膜，所以從宏觀形貌上看，7B50鋁合金在敦煌站的腐蝕速率比海南站慢。漠河站和拉薩站大氣較為潔凈，年均溫度和相對濕度均不高，大氣腐蝕性相對較弱，對7B50鋁合金的腐蝕影響較為輕微。

圖4和圖5給出了7B50-T7751板材和7B50- T77511型材在四種典型大氣環(huán)境下暴露0.5～3 a的金相顯微形貌，其局部最大腐蝕深度如圖6所示。由圖4—圖6得知，當(dāng)7B50-T7751板材暴露在濕熱海洋大氣環(huán)境時，試樣微觀形貌可見典型的點蝕和晶間腐蝕特征（見圖4a），暴露3 a后局部最大腐蝕深度為166 μm（見圖6a）；在干熱沙漠環(huán)境中，其微觀形貌局部可見點蝕和晶間腐蝕特征（見圖4b），暴露3 a后局部最大腐蝕深度為44 μm（見圖6a）；在寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高原環(huán)境中，試樣暴露3 a后未檢出有腐蝕情況發(fā)生（故沒有金相顯微形貌照片）。7B50- T77511型材暴露于四種大氣環(huán)境中的微觀形貌均可見點蝕、晶間腐蝕特征（見圖5a—5d，寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高原環(huán)境中僅局部可見），暴露3 a后四個站的局部最大腐蝕深度分別為141、80、42、29 μm（見圖6b）。另外，海南站和敦煌站試樣的微觀形貌同時表現(xiàn)出明顯的剝蝕特征（見圖5a、5b）。7B50鋁合金金相顯微形 貌和局部最大腐蝕深度的變化印證了其宏觀腐蝕形貌結(jié)果，也表明兩種7B50鋁合金在典型大氣環(huán)境中的腐蝕特征基本一致，均主要表現(xiàn)為點蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕，且隨著暴露時間的延長，沿晶網(wǎng)狀裂紋向基體內(nèi)部不斷延伸，發(fā)生晶間腐蝕甚至剝蝕的傾向愈發(fā)明顯[17-18]。

圖4 7B50-T7751鋁合金在典型大氣環(huán)境中的金相顯微形貌 Fig.4 Metallographic micrograph of 7B50-T7751 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖5 7B50-T77511鋁合金在典型大氣環(huán)境中的金相顯微形貌 Fig.5 Metallographic micrograph of 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

圖6 7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金在典型大氣環(huán)境中的局部最大腐蝕深度 Fig.6 Histogram of local maximum corrosion depth of 7B50-T7751 and 7B50-T77511 aluminum alloy in typical atmospheric environment

2.3 腐蝕對7B50鋁合金力學(xué)性能的影響

7B50-T7751和7B50-T77511兩種鋁合金在四種典型大氣環(huán)境中暴露試驗后的拉伸性能變化曲線如圖7所示。由圖7可知，7B50-T7751鋁合金在四種典型大氣環(huán)境中暴露3 a試驗周期，僅濕熱海洋大氣環(huán)境下的抗拉強度下降了5%，其余三種環(huán)境中的抗拉強度無明顯變化；斷后伸長率方面，暖溫高原環(huán)境下變化較小，其余三種環(huán)境下下降較多，濕熱海洋、干熱沙漠和寒冷鄉(xiāng)村大氣環(huán)境下分別下降了25%、17%、12%。7B50-T77511鋁合金在四種典型大氣環(huán)境中暴露3 a試驗周期，其抗拉強度和斷后伸長率均表現(xiàn)出一定程度的先升后降（這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因還有待進一步分析），斷后伸長率的變化更為明顯。與0.5 a試驗周期相比，在四種大氣環(huán)境下暴露3 a后的斷后伸長率分別下降了33%、15%、9%、21%，抗拉強度方面則僅濕熱海洋大氣環(huán)境下有小幅下降（與0.5 a相比下降了約4%）。7B50鋁合金力學(xué)性能的對比表明，環(huán)境腐蝕作用對7B50鋁合金斷后伸長率的影響比對抗拉強度的影響更為明顯，這可能是由于材料表面形成的大量點蝕坑在承受應(yīng)力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了材料的韌性[19-20]。

圖7 7B50-T7751和7B50-T77511鋁合金在典型大氣環(huán)境中的拉伸性能變化曲線 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 結(jié)論

1）7B50鋁合金在濕熱海洋大氣環(huán)境中腐蝕最為嚴重，干熱沙漠環(huán)境次之，在寒冷鄉(xiāng)村和暖溫高溫環(huán)境中腐蝕較為輕微。7B50-T7751板材和7B50- T77511型材暴露在相同大氣環(huán)境中時，前者的耐蝕性相對略好。

2）7B50鋁合金在四種典型大氣環(huán)境中均主要表現(xiàn)為點蝕和晶間腐蝕的混合腐蝕，具有明顯晶間腐蝕和剝蝕傾向性。

3）暴露試驗周期為3 a時，7B50-T7751鋁合金在濕熱海洋大氣環(huán)境和干熱沙漠大氣環(huán)境中的局部最大腐蝕深度分別為166 μm和44 μm；7B50-T77511鋁合金在四種典型大氣環(huán)境中的局部最大腐蝕深度分別為141、80、42、29 μm。

4）暴露試驗周期為3 a時，7B50-T7751鋁合金的抗拉強度在濕熱海洋大氣環(huán)境中下降了5%，在其余三種環(huán)境中無明顯變化；斷后伸長率在濕熱海洋、干熱沙漠和寒冷鄉(xiāng)村大氣環(huán)境下分別下降了25%、17%、12%。7B50-T77511鋁合金的抗拉強度和斷后伸長率均表現(xiàn)出一定程度的先升后降，與0.5 a試驗周期相比，斷后伸長率分別下降了33%、15%、9%、21%，在濕熱海洋大氣環(huán)境下的抗拉強度下降了約4%。