劉治國，李旭東，穆志韜

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航空鋁合金點(diǎn)蝕行為微觀結(jié)構(gòu)影響因素分析

劉治國，李旭東，穆志韜

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

目的為進(jìn)一步深入理解鋁合金點(diǎn)蝕行為提供理論支持，確定影響鋁合金點(diǎn)蝕行為的微觀結(jié)構(gòu)因素。方法將鋁合金材料于服役環(huán)境的點(diǎn)蝕行為視為受眾多因素影響的隨機(jī)過程，基于點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理和常體積擴(kuò)展模型，對影響鋁合金點(diǎn)蝕行為因素進(jìn)行定性和統(tǒng)計分析。結(jié)果從鋁合金點(diǎn)蝕擴(kuò)展模型可以看出，影響鋁合金點(diǎn)蝕的微觀結(jié)構(gòu)因素包括鋁合金材料微觀組成粒子的尺寸、粒子密度以及微觀組成粒子元素的類型。結(jié)論鋁合金微觀粒子尺寸和粒子密度都具有統(tǒng)計特性，可以采用相關(guān)分布函數(shù)對其分布特性進(jìn)行統(tǒng)計分析，Cu和Fe粒子對鋁合金點(diǎn)蝕行為影響較大。

航空鋁合金；點(diǎn)蝕；影響因素；微觀結(jié)構(gòu)

飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)在服役過程中發(fā)生點(diǎn)蝕，大量的試驗和相關(guān)理論研究表明，鋁合金服役環(huán)境下的點(diǎn)蝕行為本質(zhì)上是受多種因素影響的隨機(jī)過程，若不加以處理和控制，點(diǎn)蝕易轉(zhuǎn)化為均勻腐蝕或剝蝕等嚴(yán)重?fù)p傷[1—3]。因而，點(diǎn)蝕行為相關(guān)研究對飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制研究相當(dāng)重要，是該領(lǐng)域研究中基礎(chǔ)性、理論性內(nèi)容。

為深入理解鋁合金點(diǎn)蝕行為，國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對點(diǎn)蝕行為及其影響因素開展了相關(guān)研究。就其影響因素研究方面而言，目前的研究主要集中在外部載荷和服役環(huán)境因素方面對鋁合金點(diǎn)蝕行為的影響[4—7]，涉及鋁合金本體微觀結(jié)構(gòu)方面對其點(diǎn)蝕行為的影響分析較少，而鋁合金本體及其微觀結(jié)構(gòu)是點(diǎn)蝕行為發(fā)生的載體，若忽略此方面的研究，勢必對鋁合金點(diǎn)蝕行為缺乏本質(zhì)上的認(rèn)識和理解，從而難以有效地對其加以防護(hù)與控制。因此，文中基于電化學(xué)腐蝕機(jī)理和常體積擴(kuò)展模型，對航空鋁合金材料點(diǎn)蝕行為的微觀結(jié)構(gòu)影響因素進(jìn)行研究和探討，以便為后續(xù)飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制研究提供理論支撐。

1 點(diǎn)蝕行為機(jī)理

為開展研究，首先需對航空鋁合金點(diǎn)蝕的行為機(jī)理進(jìn)行分析，點(diǎn)蝕行為包括點(diǎn)蝕萌生和點(diǎn)蝕擴(kuò)展兩方面。

1.1 點(diǎn)蝕萌生機(jī)理

鋁合金材料除了基體鋁元素外，還含有大量其他粒子元素。國內(nèi)、外主要的航空鋁合金材料的結(jié)構(gòu)成分詳見表1，其組成元素除Al元素外，還包括Cu，F(xiàn)e等少量元素。相關(guān)研究表明，點(diǎn)蝕萌生是電化學(xué)腐蝕過程產(chǎn)物[8]，即在腐蝕環(huán)境下鋁離子逐漸溶解，點(diǎn)蝕萌生。LY12CZ試件點(diǎn)蝕萌生掃描電鏡圖像如圖1所示，從中可見，點(diǎn)蝕通常從微觀粒子處萌生。

表1 國內(nèi)外主要航空鋁合金材料成分 %

圖1 LY12CZ試件點(diǎn)蝕萌生掃描電鏡微觀圖片

1.2 點(diǎn)蝕擴(kuò)展模型

腐蝕環(huán)境下隨時間延續(xù)點(diǎn)蝕逐漸擴(kuò)展。目前普遍的認(rèn)識是鋁合金點(diǎn)蝕遵循法拉第定律、并按常體積變化率進(jìn)行擴(kuò)展，結(jié)合阿赫尼斯公式（Arrhenius），假設(shè)點(diǎn)蝕蝕坑形狀為半球型，則得到點(diǎn)蝕擴(kuò)展模型為[9—10]：

(3)

(4)

式中：為點(diǎn)蝕蝕坑體積；為腐蝕周期；為原子量；P為電化學(xué)腐蝕過程中電流密度；Po為電化學(xué)腐蝕過程中電流密度常數(shù)；為化合價；為法拉第常數(shù)，=96514 C/mol；為材料密度；a表示活化能；為理想氣體常數(shù)；為絕對溫度；為點(diǎn)蝕蝕坑半徑。

2 點(diǎn)蝕行為微觀結(jié)構(gòu)影響因素

由點(diǎn)蝕萌生機(jī)理和擴(kuò)展模型分析可見，點(diǎn)蝕的發(fā)生、發(fā)展本質(zhì)上是電化學(xué)過程，即腐蝕電流密度P要存在。文獻(xiàn)[10—13]研究認(rèn)為，腐蝕電流密度P與參與點(diǎn)蝕的鋁合金微觀結(jié)構(gòu)中粒子數(shù)量、表面積和元素類型有關(guān)。據(jù)此，需對點(diǎn)蝕擴(kuò)展模型進(jìn)行細(xì)化研究，以明確影響點(diǎn)蝕行為的具體微觀結(jié)構(gòu)因素。

從微觀層面上分析，文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)，航空鋁合金材料每平方毫米表面上有大約2000個粒子，因此可以認(rèn)為點(diǎn)蝕的萌生和擴(kuò)展是同時由多個微觀粒子電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生，因而，點(diǎn)蝕擴(kuò)展模型可以細(xì)化為：

(6)

式中：為半球體點(diǎn)蝕蝕坑的半徑；co為單位面積電流密度，與粒子元素類型有關(guān)。為參與點(diǎn)蝕的眾多粒子的平均半徑；為單位面積內(nèi)參與點(diǎn)蝕的粒子平均數(shù)量，即粒子密度；為參與點(diǎn)蝕的粒子數(shù)量；為參與點(diǎn)蝕粒子數(shù)的總體表面積。

由上述建模過程可見，點(diǎn)蝕確實(shí)受微觀結(jié)構(gòu)因素影響，在眾多粒子參與點(diǎn)蝕行為的過程中，典型的微觀結(jié)構(gòu)影響因素為：鋁合金材料微觀組成粒子的尺寸（平均半徑）、粒子密度（單位面積內(nèi)微觀組成粒子的平均數(shù)量）以及微觀組成粒子元素的類型。

3 微觀結(jié)構(gòu)因素分析與討論

開展LY12CZ鋁合金10個相同（加工工藝、表面處理工藝相同）試件浸入3.5%Nacl溶液的腐蝕試驗，選取典型點(diǎn)蝕表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)因素影響分析。試驗前后典型試件表面微觀掃描電鏡圖片如圖2所示，從圖2中進(jìn)一步印證了點(diǎn)蝕由多個微觀粒子萌生擴(kuò)展。

圖2 試件點(diǎn)蝕前后微觀圖像

從圖2以及材料本體性質(zhì)可知，微觀粒子平均半徑、單位面積內(nèi)平均數(shù)量以及幾何形狀特征、空間位置等微觀結(jié)構(gòu)因素，因試件不同而不同，即使是同一批次試件，每個試件的上述參數(shù)也都存在差異，由此造成不同試件在同樣腐蝕條件下的點(diǎn)蝕行為存在差異。因此，將上述微觀結(jié)構(gòu)因素視為影響鋁合金點(diǎn)蝕行為的隨機(jī)變量，采用統(tǒng)計分析方法對其進(jìn)行分析。

統(tǒng)計分析需要數(shù)據(jù)源，隨機(jī)選取某試件三維界面，如圖3所示。對其三個維度的表面微觀粒子進(jìn)行觀測并統(tǒng)計，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)對微觀結(jié)構(gòu)因素的統(tǒng)計特性進(jìn)行分析。從圖3中可見，三個表面的粒子數(shù)量、分布位置、間距等存在明顯不同。具體統(tǒng)計結(jié)果為：平面，每平方毫米有約1700個粒子，平面每平方毫米約有1000個粒子，平面每平方毫米約有2300個粒子。

圖3 試件三表面微觀圖像

式中：，，分別表示分布函數(shù)的形狀參數(shù)、范圍參數(shù)和位置參數(shù)。采用極大似然性估計方法對分布函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行估計，計算結(jié)果見表2。經(jīng)檢驗，威布爾分布函數(shù)可較好地擬合粒子表面積數(shù)據(jù)。其中，形狀參數(shù)較小。由威布爾分布函數(shù)性質(zhì)可知，這意味著粒子表面積分散性較大，如觀測到的最大粒子表面積達(dá)1500 μm2左右，而最小的粒子表面積為10 μm2左右，這一點(diǎn)由圖2也可印證。

表2 三個表面粒子表面積威布爾參數(shù)極大似然性估計結(jié)果

從圖3中可見，粒子常常以粒子束的形式聚集在一起，而由點(diǎn)蝕萌生和擴(kuò)展機(jī)理可知，腐蝕電流的存在必須依賴粒子得以存在，因此對粒子數(shù)量而言，單位面積中粒子數(shù)量越多，則點(diǎn)蝕則越易萌生與擴(kuò)展。文獻(xiàn)[14]對粒子數(shù)量統(tǒng)計分析，得出其分布函數(shù)可以表示為：

表3 三個表面粒子束擬合參數(shù)回歸計算結(jié)果

上述兩方面統(tǒng)計分析表明，影響鋁合金點(diǎn)蝕行為的微觀粒子尺寸和單位面積內(nèi)的數(shù)量都具有統(tǒng)計特性，可以采用相關(guān)的分布函數(shù)對其分布特性進(jìn)行統(tǒng)計分析。粒子的幾何形狀和分布位置，需采用立體微觀檢測手段進(jìn)行檢測分析。

由表1中可見，鋁合金內(nèi)含有多種元素成分，不同元素的粒子與鋁基體之間的腐蝕電流不同，因此元素類型同樣會影響鋁合金點(diǎn)蝕行為。相關(guān)研究表明[15]，在鋁合金的各型元素中，Cu和Fe粒子對鋁合金點(diǎn)蝕行為影響較大。因為這兩種類型的粒子對鋁而言是強(qiáng)陰極性元素，與鋁之間電位差較大，在腐蝕環(huán)境中，會極大地加速鋁合金點(diǎn)蝕萌生與擴(kuò)展。試驗表明，當(dāng)Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加0.1%時，腐蝕環(huán)境下鋁合金點(diǎn)蝕速率提高1600多倍，因此上述兩種元素粒子在鋁合金中的含量必須根據(jù)需要嚴(yán)格控制。

4 結(jié)語

飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)材料在服役環(huán)境下的點(diǎn)蝕行為受多種因素影響，文中基于點(diǎn)蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)理和常體積擴(kuò)展模型，明確了影響鋁合金點(diǎn)蝕行為的微觀結(jié)構(gòu)因素。通過微觀檢測獲得的微觀粒子數(shù)據(jù)，對微觀粒子表面積和單位面積內(nèi)粒子數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計分析，確定了兩型微觀結(jié)構(gòu)因素的分布函數(shù)，并綜合相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為，Cu和Fe元素粒子對鋁合金點(diǎn)蝕行為影響較大。除上述因素外，微觀粒子的幾何形狀特征、空間位置、晶粒邊界等對微觀結(jié)構(gòu)因素對鋁合金點(diǎn)蝕行為的影響，相信會隨著試驗檢測、分析水平的提高而越來越深入。

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Microstructure Influencing Factors of Aero Aluminum Alloy Pitting Corrosion Behavior

LIU Zhi-guo, LI Xu-dong, MU Zhi-tao

(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao 266041, China)

Objective To offer theory support for deeply understanding the pitting corrosion behavior of aluminum alloy and ascertaining the microstructure factors that affect the pitting corrosion behavior of aluminum alloy. Methods Pitting corrosion of aluminum alloy in the service environment was viewed as a stochastic process which is affected by many factors. Based on the electrochemical corrosion mechanism and constant volume evolution model, qualitative and statistic analyses on microstructure influencing factors of aluminum alloy pitting corrosion were carried out. Results Factors influencing the microstructure of aluminium alloy pitting corrosion included the size of constituent particles, the particle density and the type of the constituent particles. Conclusion Both the size and the density of microscopic particle of aluminum alloy are statistical. Distribution functions related might be adopted to have statistic analysis on its distribution characters. Cu and Fe particles have greater impact on the behavior of aluminum alloy pitting corrosion.

aero aluminum alloy; pitting corrosion; influencing factors; microstructure

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.005

TJ04；TG172

A

1672-9242(2017)03-0023-04

2016-10-27；

2016-12-27

劉治國（1976—），男，遼寧人，博士研究生，主要研究方向為飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命分析。