6061鋁合金在海洋大氣腐蝕環(huán)境下的腐蝕行為

劉秋穎,劉寶玉,肖寶靚,陳 龍,楊 波

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁合金具有密度低、強度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、易加工成型和表面處理等特點,廣泛應(yīng)用于在航空、交通、海洋船舶、能源等領(lǐng)域[1]。其中6061鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金,具有優(yōu)良的耐腐蝕性和加工焊接性能,可用作飛機蒙皮、機身框架結(jié)構(gòu)等部位。由于飛機服役區(qū)域廣,面臨的腐蝕環(huán)境復(fù)雜,特別是高Cl-濃度和高濕度的海洋大氣環(huán)境,航空材料的耐腐蝕性將直接影響飛機的安全性[2-3]。因此,本文以6061-T6鋁合金為研究對象,通過鹽霧腐蝕試驗?zāi)M海洋大氣性氣候[4],采用腐蝕動力學(xué)、腐蝕坑深、宏觀形貌和微觀形貌分析,研究6061鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕特性及機理[5]。

1 試驗材料與方法

采用ARL-MA-283直讀光譜儀定量分析6061-T6鋁合金的化學(xué)成分,結(jié)果見表1。

表1 6061-T6鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

本試驗化學(xué)藥品均為分析純試劑。去離子水在25 ℃時電導(dǎo)率為1.986 μs/cm,pH值為5.89。首先使用去離子水溶解氯化鈉,濃度為50g/L,密度為1.031 g/mL;然后使用鹽酸調(diào)整溶液的pH值,最終鹽霧箱內(nèi)收集的溶液pH值為6.92。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125—2012中NSS試驗進行海洋大氣腐蝕環(huán)境模擬[6],具體鹽霧腐蝕試驗參數(shù)見表2。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G1要求,稱量20 g三氧化鉻并量取50 mL磷酸,溶于去離子水中,配制成1 L的溶液。溶液在電熱恒溫水浴鍋中加熱至90 ℃后,將試樣放入溶液中恒溫浸泡7～10 min,再放入濃硝酸中浸泡2～5 min去除剩余的腐蝕產(chǎn)物,最后用去離子水清洗。除去腐蝕產(chǎn)物的試樣在65 ℃烘箱中烘干15 min后,放入干燥器中冷卻至室溫。隨著腐蝕產(chǎn)物的增多,適當(dāng)延長試驗時間。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕動力學(xué)分析

從金屬質(zhì)量損失的角度研究金屬的腐蝕動力學(xué),是分析金屬及合金耐腐蝕性能的評價方法。計算公式如下:

(1)

式中:v為腐蝕速率(mm/a);W為質(zhì)量損失(g);S為樣品表面積(cm2);ρ為金屬密度(g/cm3);t為試驗時間(h);K為常數(shù)。

圖1為6061-T6鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境下的腐蝕速率變化曲線[4]。由圖1可知,腐蝕時間少于400 h時,隨著腐蝕時間的延長,腐蝕速率逐漸降低;腐蝕時間為400～600 h時,腐蝕速率基本趨近于零;腐蝕時間大于600 h時,腐蝕速率增加。這是因為在腐蝕試驗初期,鹽霧中的Cl-能較快吸附在6061鋁合金基體表面,并穿透氧化膜,形成點蝕坑導(dǎo)致前期腐蝕速率較大;隨著腐蝕時間的延長,在鋁合金表面生成非常致密的腐蝕產(chǎn)物,對基體起著保護的作用,阻礙了Cl-繼續(xù)滲透,導(dǎo)致腐蝕速率逐漸降低,直至趨近于零;腐蝕時間超過600 h后,腐蝕產(chǎn)物逐漸疏松,對基體的保護作用減弱,導(dǎo)致腐蝕后期的腐蝕速率增大。

圖1 腐蝕速率變化曲線

2.2 表面形貌分析

圖2為6061鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境中經(jīng)過不同腐蝕時間的表面形貌。由圖2可知,點蝕是6061鋁合金在海洋大氣腐蝕環(huán)境中的典型腐蝕特征。腐蝕時間少于600 h時,腐蝕形態(tài)主要為細小點蝕,并且隨著腐蝕時間的延長而增加。腐蝕時間超過600 h后,點蝕坑逐漸增大,這主要是由于腐蝕產(chǎn)物逐漸疏松,這種疏松結(jié)構(gòu)的腐蝕產(chǎn)物對鋁合金基體的保護作用減弱,使點蝕坑逐漸向橫向(坑蝕直徑)和縱向(坑蝕深度)擴展,鋁合金的主要腐蝕形態(tài)逐漸向均勻腐蝕過渡。

(a)200 h;(b)400 h;(c)600 h;(d)1000 h

2.3 腐蝕坑深分析

圖3為6061鋁合金在模擬海洋大氣環(huán)境中經(jīng)過不同腐蝕時間的腐蝕坑深度,反映了點蝕的生成與發(fā)展的過程。Mg2Si是6061鋁合金主要析出相,其點位相對鋁合金更負,作為陽極會優(yōu)先溶解。因此,6061鋁合金在海洋大氣環(huán)境的腐蝕前期,點蝕首先發(fā)生在Mg2Si第二相顆粒處;隨著腐蝕時間的延長,6061鋁合金表面的腐蝕坑深度不斷增加,但是這些點蝕坑的體積仍比較小;腐蝕時間超過600 h后,點蝕坑的體積大幅度增長,主要是因為該階段產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物疏松,使點蝕坑逐漸向橫、縱向擴展。

(a)200 h;(b)400 h;(c)600 h;(d)1000 h

2.4 微觀形貌分析

圖4為不同鹽霧腐蝕試驗后6061鋁合金的微觀形貌。由圖4可知,6061鋁合金在腐蝕前期,表面形成較為致密的腐蝕產(chǎn)物;隨著腐蝕時間延長至600 h,腐蝕產(chǎn)物不斷增厚,形成龜裂狀的腐蝕產(chǎn)物,并覆蓋于整個試樣表面;隨著腐蝕時間的進一步延長,片層狀腐蝕區(qū)域變細、變多,出現(xiàn)堆積,由于內(nèi)應(yīng)力,局部區(qū)域片狀腐蝕產(chǎn)物開始脫落,表面開始形成團絮狀的腐蝕產(chǎn)物,試樣表面產(chǎn)物出現(xiàn)分層現(xiàn)象,這種腐蝕產(chǎn)物疏松,對基體的保護作用較低。

(a)200 h;(b)600 h;(c)1000 h

3 結(jié)論

1) 6061鋁合金在模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境中,腐蝕前期,腐蝕產(chǎn)物對基體能夠起到保護作用,腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長逐漸降低,直至趨近于零;腐蝕時間延長至600 h后,由于腐蝕產(chǎn)物疏松,對基體的保護作用較低,腐蝕速率又逐漸增大;

2) 6061鋁合金在模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境中,腐蝕前期主要以點蝕為主;腐蝕后期的主要腐蝕形態(tài)由點蝕逐漸向均勻腐蝕過渡。