劉觀日 雷勇軍 劉德博 常志龍 王渭平

(1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)(2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(3 長征機(jī)械廠軍事代表室，成都 610100)

推進(jìn)劑貯箱用2A14鋁合金接頭應(yīng)力腐蝕性能研究

劉觀日1,2雷勇軍1劉德博2常志龍2王渭平3

(1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)(2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(3 長征機(jī)械廠軍事代表室，成都 610100)

文 摘 為了研究推進(jìn)劑貯箱用2A14鋁合金接頭介質(zhì)相容性，分析了鋁合金的應(yīng)力腐蝕機(jī)理，以2A14-T6鋁合金本體、攪拌摩擦焊(FSW)接頭和變極性氬弧焊(VPTIG)接頭為研究對象，通過慢應(yīng)變速率拉伸法進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，2A14鋁合金在3.5%NaCl溶液中存在應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，F(xiàn)SW接頭的抗腐蝕性能優(yōu)于VPTIG接頭。。

鋁合金，應(yīng)力腐蝕，慢應(yīng)變速率法

0 引言

鋁及鋁合金具有高比強(qiáng)度、高比模量、高耐蝕性及易加工成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前其產(chǎn)量和使用量僅次于鋼鐵材料，居有色金屬之首位。自上世紀(jì)初鋁合金誕生以來，應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)問題就成為鋁合金廣泛應(yīng)用的一大瓶頸。

20世紀(jì)40年代，德國齊柏林飛艇的鋁合金構(gòu)件因應(yīng)力腐蝕而斷裂，美國阿波羅登月艙以及土星號(hào)火箭結(jié)構(gòu)也發(fā)生了類似的應(yīng)力腐蝕破裂問題[1]。即便是現(xiàn)在研制噴氣式飛機(jī)也不可避免的存在鋁合金應(yīng)力腐蝕問題。應(yīng)力腐蝕最主要的特征是結(jié)構(gòu)件在斷裂破壞前沒有明顯的預(yù)兆，而其破壞性以及危害性卻極大。因此，鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂問題倍受學(xué)術(shù)界關(guān)注[2,3]，多年來國內(nèi)外眾多學(xué)者在此領(lǐng)域做了大量的研究工作，并在鋁合金的SCC破壞機(jī)理、影響因素及防范控制措施等方面已取得了較大研究進(jìn)展。

在通常情況下，金屬材料產(chǎn)生SCC需要具備三個(gè)基本條件：(1)材料本身必須對SCC敏感；(2)結(jié)構(gòu)件必須處于特定的腐蝕環(huán)境中(對鋁合金而言，在鹽水介質(zhì)中)；(3)結(jié)構(gòu)件必須受拉應(yīng)力作用。推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)充分具備了以上條件，特別是對于長期接觸推進(jìn)劑介質(zhì)的貯箱而言，在貯箱選材時(shí)需要考慮材料的應(yīng)力腐蝕性能。我國航天器貯箱通常采用2XXX系列鋁合金作為結(jié)構(gòu)主材料(如我國CZ-3A系列火箭貯箱即采用了2A14鋁合金)，其中2A14鋁合金在成熟火箭貯箱應(yīng)用最為普遍，而這類鋁合金通常對SCC比較敏感，有必要對材料的SCC性能進(jìn)行研究。

本文對鋁合金材料SCC的機(jī)理進(jìn)行了分析，采用慢應(yīng)變速率拉伸法(SSRT)對2A14鋁合金本體和兩種工藝焊接接頭的SCC性能進(jìn)行深入的試驗(yàn)對比，研究了應(yīng)力腐蝕對材料性能的影響，對兩種焊接工藝的應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行了對比分析，為2A14鋁合金的工程應(yīng)用提供了一定支撐。

1 2A14鋁合金的SCC試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

SCC試驗(yàn)方法多種多樣，如恒載荷法、恒應(yīng)變法、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)法(SSRT，又稱恒應(yīng)變速率法)等，SSRT方法是一種將材料與環(huán)境體系的應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行快速分類的實(shí)驗(yàn)室方法，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)周期短，可快速鑒別材料應(yīng)力腐蝕敏感性。GB15970[4]和HB7235標(biāo)準(zhǔn)[5]中將SSRT法作為評價(jià)金屬腐蝕性能的一種有效方法。

對大多數(shù)金屬材料來說，應(yīng)變速率在10-6～10-7s-1之間時(shí)力腐蝕最敏感，W. T.TSAI等[6]研究表明7050-T7451鋁合金在中性3.5% NaCl溶液中應(yīng)力腐蝕最敏感的應(yīng)變速率為8×10-7s-1。R.BRAUN[7]研究表明7050-T651鋁合金在人工海水中應(yīng)力腐蝕最敏感的應(yīng)變速率小于10-6s-1。因此，本文分別選取了5×10-6、1×10-6、5×10-7s-1三種應(yīng)變速率進(jìn)行SSRT試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)均采用3.5% NaCl溶液，每類試驗(yàn)均有2件空氣中對比件。

1.2 試驗(yàn)件

選取T6態(tài)2A14鋁合金，分別對本體材料、攪拌摩擦焊接頭(FSW)和變極性氬弧焊接頭(VPTIG)進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)矩陣見表1所示，試樣典型結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

3 結(jié)果分析

通過SSRT試驗(yàn)，獲得了各類試樣在不同應(yīng)變速率下的斷裂強(qiáng)度和延伸率，結(jié)果見表2所示。

表2 SSRT試驗(yàn)結(jié)果

三種試樣在空氣中拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2所示，三種試樣分別在空氣與3.5% NaCl中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3～圖5所示。

從表2與圖2可以看出，在空氣中進(jìn)行試驗(yàn)的三種試樣，每種各自重復(fù)性非常好，但是三種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯不同，其中本體試樣屈服強(qiáng)度高，存在明顯的屈服點(diǎn)，且斷裂延伸率高，在接近斷裂前有明顯的應(yīng)力下降趨勢；而焊接接頭應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯屈服點(diǎn)，且斷裂前應(yīng)力一直在上升；FSW焊接接頭屈服點(diǎn)及斷裂應(yīng)力明顯高于VPTIG焊接接頭，從表中數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)SW焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到本體的82.3%，而VPTIG焊接接頭強(qiáng)度僅達(dá)到本體的60.8%，由此可見，F(xiàn)SW接頭性能要遠(yuǎn)高于VPTIG接頭性能。

從表2和圖3可以看出，采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)的本體試樣，其強(qiáng)度和延伸率都低于空氣中本體性能，且隨著拉伸速率的降低而降低，說明2A14鋁合金本體在3.5%NaCl溶液中發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，在5×10-7s-1速率情況下其強(qiáng)度下降約1.2%，而延伸率下降了11%，由此可見，應(yīng)力腐蝕對延伸率影響更大。

從表2和圖4、圖5可以看出，F(xiàn)SW、VPTIG焊接接頭采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)后，其強(qiáng)度和延伸率基本上也隨著拉伸速率的降低而降低，在5×10-7s-1速率情況下其強(qiáng)度下降分別為4.3%、8.0%，延伸率下降分別為22%、18%，與本體試樣數(shù)據(jù)對比可知，焊接接頭對應(yīng)力腐蝕更為敏感，其強(qiáng)度和延伸率下降更為明顯，且FSW焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕性要優(yōu)于VPTIG焊接接頭。

試驗(yàn)完成后，對各種試樣的斷口進(jìn)行了微觀組織觀察，圖6～圖8分別給出了2A14本體、FSW接頭、VPTIG接頭部分?jǐn)嗫谖⒂^組織形貌。

從圖6可以看出，2A14鋁合金本體斷口存在大量韌窩，屬于韌性斷裂，隨著拉伸速率的降低，局部區(qū)域出現(xiàn)少量解理斷口形貌，發(fā)生混合型斷裂，由此可見，2A14鋁合金具有應(yīng)力腐蝕傾向但敏感性并不高。

從圖7、圖8可以看出，F(xiàn)SW接頭和VPTIG接頭斷口仍呈現(xiàn)韌性斷裂，但是VPTIG接頭韌窩不均勻，呈現(xiàn)一定程度脆性，慢應(yīng)變速率拉伸斷口出現(xiàn)較多解理斷口形貌，其應(yīng)力腐蝕敏感性比本體高。

綜上所述，2A14鋁合金在3.5%NaCl溶液中存在應(yīng)力腐蝕傾向，其中本體抗應(yīng)力腐蝕能力最強(qiáng)，其次是FSW接頭，而VPTIG接頭最差，同時(shí)應(yīng)力腐蝕對結(jié)構(gòu)延伸率的影響要遠(yuǎn)大于對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

3 結(jié)論

2A14鋁合金具有應(yīng)力腐蝕傾向，應(yīng)力腐蝕對材料強(qiáng)度影響較小，但對延伸率影響較大；通過對比分析，2A14本體抗應(yīng)力腐蝕能力最強(qiáng)，其次是FSW接頭，而VPTIG接頭最差，因此對于長期與介質(zhì)接觸的貯箱結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選用FSW焊接工藝。

[1] SPEIDEL M O. The theory of stress corrosion cracking in alloys[M]. 1971: 289-344.

[2] SONG R G, Dietzel W. Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement of an Al-Zn-Mg-Cu alloy[J]. Acta Material, 2004, 52(16): 4727 - 4743.

[3] CAECHOWSKI M. Stress corrosion cracking of aluminium alloys and their welded joints[C]. The 7thPolish Corrosion Conference.. Poland: Krakow, 2002: 17-21.

[4] 金屬和合金的腐蝕,應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[S].GB15970,

[5] 中華人民共和國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法[S].HB7235-95,

[6] TSAI W T，DUH J B，YEH J J. et al. Effect of pH on stress corrosion cracking of 7050-T7451 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution[J]. Corrosion，1990, 46(5): 444-449.

[7] BRAUN R. Slow strain rate testing of aluminum alloy 7050 in different tempers using various synthetic environments[J]. Corrosion, 1997, 53(3): 467-474.

Stress Corrosion Study of 2A14 Alloy Joint Used on Propellant Tank

LIU Guanri1,2LEI Yongjun1LIU Debo2CHANG Zhilong2WANG Weiping3

(1 College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073)(2 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)(3 Changzheng Machinery Factory Military Representive Office,Chengdu 610100)

In order to study the compatibility of 2A14 alloy joint used on propellant tank, stress corrosion mechanism of aluminum alloy was analysized in this paper. The base metal, FSW joint and VPTIG joint of 2A14-T6 aluminum alloy were chosen to make corrosion experimentation with slow strain rate method. The result shows 2A14 aluminum alloy have stress corrosion tendency in 3.5% NaCl solution. And the corrosion resistance of FSW joint is better than VPTIG joint.

Aluminum alloy, Stress corrosion, Slow strain rate method.

2016-12-28

劉觀日，1975年出生，博士研究生，從事彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：13683157563@139.com

V146.2+1 10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.010