鋁鋰合金加速腐蝕損傷概率分布規律研究

劉治國，葉彬，穆志韜

（1.海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島 266041；2.洪都航空工業集團650所，南昌 330024）

1420 鋁鋰合金是一種高性能材料，它具有密度小（2.47 g/cm3）、彈性模量高（76 000 MPa）的特點，代替常規的鋁合金，可使構件質量降低10%～15%，剛度提高15%～20%。1420 鋁鋰合金已具有20 多年實際使用經驗，是目前工程應用最廣泛的鋁鋰合金[1—2]，多應用于航空航天及導彈武器等領域，美國和俄羅斯的飛機結構大量采用了該合金材料[3—4]。

1420 鋁鋰合金作為飛機結構材料，隨著飛機服役年限的增加，在環境中的腐蝕問題也日益凸顯出來。由于飛機結構件的使用壽命通常取決于構件的最大腐蝕深度，因而研究1420鋁鋰合金的腐蝕深度分布類型及發展規律，對于確定飛機結構腐蝕疲勞壽命或日歷壽命顯得尤為重要。以腐蝕深度為基礎依據，制定飛機鋁鋰合金結構相應的腐蝕容限或實施腐蝕控制、制定修理周期。由于用EXCO 溶液浸泡能夠較好地再現鋁鋰合金于實際環境中的腐蝕損傷形式[5]，故選用EXCO溶液對1420鋁鋰合金的腐蝕行為進行研究。

1 試驗方法

試件采用1420 鋁鋰合金板材加工，尺寸為60 mm×40 mm×2 mm。其成分、加工和熱處理狀態與飛機結構實際使用的材料一致，原始試件圖片及金相微觀圖片如圖1所示。試驗前需對試件進行相應的預處理[6]，試驗溶液為標準的 EXCO 溶液[5]，每隔48 h更換1次。試驗過程參照HB 5455—90進行，每隔24 h取出1組試驗件。試件取出后按一定程序進行清洗并測量腐蝕深度[5]。

圖1 試件未腐蝕試驗前的初始狀態和微觀照片Fig. 1 The initial status and microgram photo of pro-corrosion specimen

2 試驗結果

試驗共進行了27 d。在第3天，試件表面開始出現點蝕；之后至第12天的過程中，蝕坑逐漸加深，點蝕逐漸向剝蝕階段發展；12 d后，試件腐蝕發展為剝蝕階段，直至試驗結束。試件金屬基體發展為嚴重的分層狀的剝蝕，部分階段的試件圖片及金相圖片如圖2所示。

在浸泡16 d后，試件發生了嚴重的剝蝕，難以準確測量腐蝕深度數據，故本試驗共測得了前16 d 的試件腐蝕深度數據，部分浸泡周期的腐蝕深度數據見表1—表3。

圖2 EXCO溶液浸泡試驗后試件外觀、表面和金相斷口顯微照片Fig. 2 The appearance and surface and metallographic photo of specimen after corrosion

表1 浸泡3 d后的腐蝕深度測量數據Table 1 The corrosion depths of specimen after 3 days corrosion μm

3 腐蝕損傷深度分布規律研究

試件腐蝕坑發生的時間及發展速度存在較大的分散性，測量所得的腐蝕深度是一個隨機變量，因此，采用統計分析方法對腐蝕數據進行分析比較適宜。以往研究表明[7—8]：鋁合金腐蝕深度的分布形式有正態分布、Gumbel（I型極大值）分布、Weibull分布和對數正態分布等。對上述分布函數采取適當的變換[8]，得到4種分布形式的分布函數，見表4。

表2 浸泡9 d后的腐蝕深度測量數據Table 2 The corrosion depths of specimen after 9 days corrosion μm

表3 浸泡16 d后的腐蝕深度測量數據Table 3 The corrosion depths of specimen after 16 days corrosion μm

將不同浸泡周期的腐蝕深度測量值按從小到大的次序排列，第1號數值為腐蝕深度最小測量值D1，第i 號的腐蝕深度測量值為Di，第i 號數據的統計概率Pi用式（1）表示：

式中：i=1，2，3，…，N，N 為腐蝕深度測量值個數，在本試驗中，N=40。首先假設腐蝕深度分別服從Gumbel、正態、對數正態和Weibull分布，然后分別計算出對應的的數值，在對應的概率坐標圖中擬合并對各分布進行檢驗。

Pearson相關系數r的計算公式為：

在顯著水平α下，滿足假設分布的線性相關性臨界值由式（3）計算：

當顯著性水平α=0.05 時，即置信水平1-α=0.95 時，計算可得腐蝕周期為 3～15 d 的 t0.0（538）=1.685，線性相關臨界值rc=0.263 8。同理可計算得出腐蝕周期為16 d 的線性相關臨界值rc=0.345 1。根據式（2）及表1—表3 腐蝕深度測量數據計算，結果見表5。

從表5 可知，4 種分布形式的相關系數都遠遠大于臨界線性相關系數。由此可見，1420 鋁鋰合金在EXCO 溶液中浸泡的腐蝕深度較好地服從了4 種分布。

同時，從表5 分析可見，在不同的腐蝕周期，腐蝕深度服從4種分布函數具有一定的優劣性，如：浸泡3 d 腐蝕深度服從Gumbel 分布的相關系數為0.991，為4種分布形式相關系數中的最大值，因而浸泡3 d 腐蝕深度的最佳分布為Gumbel 分布；浸泡6 d和9 d的最佳分布為對數正態分布；浸泡12 d和16 d的最佳分布為正態分布。

表5 分布形式的相關系數Table 5 The correlated coefficient of different probability distribution

另將表1—表3中的腐蝕深度測量數據代入表4中的線性方程，則可得到不同分布的線性回歸方程，計算結果見表6。 同時根據最小二乘法，則可得到不同分布的線性回歸方程的剩余標準差：具體計算結果見表6。

由表6 可見，不同分布形式的擬合線性方程的剩余標準差也能夠體現不同周期、不同分布函數的優劣性，如在腐蝕浸泡周期為3 d時，其Gumbel分布形式的擬合線性方程的剩余標準差為0.152 5，在4種分布函數中最小，說明浸泡周期為3 d時腐蝕深度的最佳分布為Gumbel分布。此結論與表5中相關系數分析結果相同，其他周期腐蝕深度分析結果也與表5中分析結果相同，說明文中分析結果有效。

4 腐蝕深度動力學規律研究

將不同腐蝕周期的腐蝕深度數據進行描點，得到1420鋁鋰合金EXCO溶液浸泡加速腐蝕深度隨腐蝕周期變化規律圖，如圖3 所示。由圖3 可見，腐蝕深度變化存在明顯分段現象，即在浸泡初期（3～12 d），腐蝕深度發展較慢；12 d 后，腐蝕深度增速明顯加快。

基于腐蝕深度的上述變化規律，遵循“分段建模”[9]原則采用分段函數來建立腐蝕動力學方程，分段節點為浸泡12 d。基于上述分析，根據經驗變換得到不同腐蝕周期腐蝕動力學方程為：

1）當3 d≤t＜12 d時，t與D呈線性關系，利用最小二乘法擬合可以得到腐蝕動力學方程為：

D=-3 507.16+304.68 t

表6 分布檢驗及線性方程Table 6 The results of probability distribution inspection and linear equation

2）當 12 d≤t≤16 d 時，t 與 D 也呈線性關系，同樣利用最小二乘法進行數據擬合可以得到腐蝕動力學方程為：

D=45.38+13.67 t

5 結論

從統計分析結果來看，腐蝕3 d，鋁鋰合金腐蝕深度最優分布為Gumbel分布；腐蝕6 d和9 d，腐蝕深度最優分布為對數正態分布；腐蝕12 d和16 d，腐蝕深度最優分布為正態分布。

圖3 1420鋁鋰合金腐蝕深度與腐蝕時間關系Fig. 3 The kinetics law of aluminium-lithium alloy in EXCO solution

在EXCO 溶液浸泡環境下，根據1420 鋁鋰合金的腐蝕形貌特征，可將其腐蝕過程歸納為2個階段。

1）點蝕階段：腐蝕處于初始階段，腐蝕深度隨試驗時間增加而增加，其特征為蝕坑（腐蝕試驗的第3天至第12天），并向剝蝕階段過渡。

2）剝蝕階段：腐蝕處于快速增長階段，腐蝕深度隨試驗時間增加而迅速增加，呈現出明顯的剝蝕特征（在腐蝕試驗的第12天之后），在晶間腐蝕較嚴重部位呈現出輕微的剝蝕，試驗到第16 天以后，晶間腐蝕嚴重部位轉變為明顯的剝蝕，浸泡試驗到第23天，剝蝕現象十分嚴重，金屬基體被完全腐蝕。

[1]張新明，肖蓉，唐建國，等.1420 鋁鋰合金的溫壓變形動態再結晶行為[J].中南大學學報，2006，37（4）：629—634.

[2]楊守杰，陸政，蘇彬，等. 鋁鋰合金研究進展[J]. 材料工程，2001（5）：44—47.

[3]張艷苓，郭和平，李志強，等.細晶1420 鋁鋰合金超塑性能試驗研究[J].塑性工程學報，2009，16（4）：134—137.

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[5]王逾涯，韓恩厚，孫祚東，等.LY12CZ 鋁合金在EXCO 溶液中的腐蝕行為研究[J]. 裝備環境工程，2005，2（1）：20—23.

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[7]陳躍良，楊曉華，秦海勤.飛機結構腐蝕損傷分布規律研究[J].材料科學與工程，2002，20（3）：378—380.

[8]陳群志，崔常京，孫祚東，等.LY12CZ鋁合金腐蝕損傷的概率分布及其變化規律[J].裝備環境工程，2005，2（3）：1—6.

[9]李玉海，賀小帆，陳群志，等.鋁合金試件腐蝕深度分布特性及變化規律研究[J].北京航空航天大學學報，2002，28（1）：98—101.