基于腐蝕等級的航空鋁合金腐蝕當(dāng)量關(guān)系

劉治國，李旭東，穆志韜

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，青島266041）

飛機結(jié)構(gòu)材料在機場環(huán)境作用下的腐蝕損傷會嚴重影響飛機結(jié)構(gòu)可靠性和力學(xué)壽命［1-2］。因此，在飛機結(jié)構(gòu)壽命評定研究中必須考慮到飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷。飛機的服役年限一般超過25a，大修周期在5～10a期間。若對飛機結(jié)構(gòu)材料采用與服役年限等時間的環(huán)境試驗方式實現(xiàn)腐蝕損傷，考慮到人力、經(jīng)費及項目研究進度等實際因素，在工程上不可接受，因此，通常都采用實驗室加速腐蝕方法實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)材料的腐蝕損傷，進而進行相關(guān)壽命分析。

相關(guān)研究表明［3-6］，當(dāng)量關(guān)系的建立通常采用下述三種方法：以金屬腐蝕電流Ic為計算基準(zhǔn)的當(dāng)量折算法；以腐蝕損傷為基準(zhǔn)的腐蝕程度對比法；基于腐蝕損傷相同則疲勞強度相同的疲勞強度（壽命）對比法。由于腐蝕等級是基于孔蝕（點蝕）率計算分析，較為真實合理地量化表示出飛機結(jié)構(gòu)材料的腐蝕損傷程度［7-8］，因此可采用腐蝕等級為度量參數(shù)，采用基于腐蝕程度對比法進行飛機結(jié)構(gòu)材料不同環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系研究，本工作以航空LY12CZ鋁合金為研究對象在此方面進行了探討與分析。

1 基本定義與原理

1.1 當(dāng)量關(guān)系定義與表示形式

當(dāng)量關(guān)系是飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評定研究中經(jīng)常采用的一種理論及方法，該關(guān)系的建立及確定是進行飛機結(jié)構(gòu)件和模擬件加速腐蝕試驗的關(guān)鍵，因此當(dāng)量關(guān)系相關(guān)研究在飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命評定研究中占有重要地位。當(dāng)量關(guān)系的定義為［3-6］：飛機結(jié)構(gòu)材料在機場環(huán)境和加速試驗環(huán)境中達到相同腐蝕程度時，機場環(huán)境作用時間T（年）與加速腐蝕環(huán)境作用時間t（天數(shù)、小時數(shù)）的比值。表達形式為：

式中：k通常稱為當(dāng)量關(guān)系系數(shù)或當(dāng)量折算系數(shù)，表示加速腐蝕1h（天）相當(dāng)于機場環(huán)境腐蝕k年的腐蝕損傷程度。

1.2 腐蝕等級及其評定

腐蝕等級是度量材料表面腐蝕損傷程度的物理量。由于航空金屬材料在進行工程應(yīng)用時普遍需進行一定的表面處理，因此，根據(jù)HB5192《鍍層和化學(xué)覆蓋層表觀腐蝕等級評定方法》中規(guī)定，航空金屬材料的腐蝕等級通常采用其表面孔蝕率來進行評定。孔蝕率的計算表達式為：

式中：η表示孔蝕率，S0表示考核區(qū)域腐蝕斑點面積，S1表示考核區(qū)域總面積面積，C為腐蝕深度修正系數(shù)，根據(jù)HB5192中規(guī)定，腐蝕等級F與孔蝕率η的對應(yīng)關(guān)系見表1所示，因此確定航空金屬材料的腐蝕等級F首先應(yīng)計算其表面的孔蝕率η。由式（2）知，孔蝕率是經(jīng)腐蝕面積測量和計算而得，腐蝕等級真實合理地反映了金屬材料的腐蝕損傷程度，可以采用腐蝕等級為度量參數(shù)，采用腐蝕程度對比法進行當(dāng)量關(guān)系研究。

表1 航空金屬材料腐蝕等級與其孔蝕率的對應(yīng)關(guān)系

2 航空LY12CZ鋁合金試件定級加速腐蝕

本工作采用弱酸性溶液對航空LY12CZ鋁合金試件進行定級加速腐蝕試驗，溶液成份見表2所示。

表2 腐蝕溶液成分 %

試件尺寸如圖1所示，試驗前，根據(jù)GJB 594-1988-《金屬鍍覆層和化學(xué)覆蓋層選擇原則與厚度系列》，采用鉻酸陽極化對其進行表面處理（厚度約3μm），然后用無水乙醇清潔試件表面，完全去除表面油污，并用蒸餾水清洗晾干。試驗時，試件均勻放置于托架上并完全浸泡在溶液中，如圖2所示。

在試驗初期每浸泡2h取出試件晾曬2h，晾曬后觀察試件表面腐蝕情況并進行腐蝕面積測量及腐蝕等級評定。在試驗中后期，隨著腐蝕程度的加重，檢查間隔逐漸縮短以確保得到滿足要求的腐蝕等級試件。在LY12CZ試件腐蝕整個過程中，腐蝕初期，試件表面鈍化膜破壞，出現(xiàn)腐蝕斑點；后斑點逐漸擴大加深，呈點蝕（孔蝕）特征；腐蝕中后期，點蝕穿透鈍化膜進入基體，基體剝蝕，起皮剝落，出現(xiàn)灰白色腐蝕產(chǎn)物。上述加速腐蝕過程與飛機LY12CZ結(jié)構(gòu)在機場環(huán)境中的腐蝕損傷模式與腐蝕機理較為相似［9-10］，都是從點蝕開始、穿透基體進而發(fā)展至剝蝕，并且加速腐蝕試件的表面處理與其飛機結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用時相同，因此可以利用本加速腐蝕試驗結(jié)果進行當(dāng)量關(guān)系研究。部分腐蝕等級的試件表面腐蝕形貌如圖3所示。通過計時，部分腐蝕等級F所需的加速腐蝕時間tF如表3所示。

3 飛機LY12CZ結(jié)構(gòu)機場環(huán)境下腐蝕等級評定

將LY12CZ鋁合金材料放置在機場環(huán)境中進行自然腐蝕，然后測量其腐蝕面積，通過計算進而確定腐蝕等級，這一過程需要周期較長，一般需要十?dāng)?shù)年，研究上難以接受。因而本工作采用某型服役多年的現(xiàn)役飛機LY12CZ結(jié)構(gòu)腐蝕測量結(jié)果進行該材料的機場環(huán)境下腐蝕等級評定研究，該型機目前服役已接近30a，在對該型機進行的腐蝕損傷普查過程中，發(fā)現(xiàn)該型機機翼前梁附近的蒙皮下壁板部位潮濕空氣和水分易進入并在此存積，且該部位較隱蔽，難以直觀檢查，造成該部位結(jié)構(gòu)材料腐蝕嚴重，且該部位結(jié)構(gòu)材料為LY12CZ鋁合金，所以選定該型機機翼前梁附近的蒙皮下壁板為腐蝕檢查及腐蝕等級評定研究對象，其結(jié)構(gòu)部分腐蝕形貌見圖4所示。根據(jù)多架該型機此部位表觀的腐蝕現(xiàn)象觀察和選定區(qū)域腐蝕面積實測分析，發(fā)現(xiàn)服役25a左右的該部位腐蝕等級接近4級，從偏保守角度考慮，因此認為航空LY12CZ鋁合金材料在機場環(huán)境中腐蝕25a的腐蝕等級為4級，即TF4＝25a。

表3 試件腐蝕周期對應(yīng)腐蝕等級表

圖4 某型機LY12CZ鋁合金結(jié)構(gòu)外觀腐蝕形貌

4 航空LY12CZ鋁合金兩種環(huán)境下腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究

根據(jù)上述試驗結(jié)果和分析，以腐蝕等級F＝4為度量基準(zhǔn)，得到航空LY12CZ鋁合金兩種環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系為：

將k＝0.95帶入式（1），聯(lián)系表3，可得機場環(huán)境中LY12CZ鋁合金材料腐蝕等級F與腐蝕年限T的對應(yīng)關(guān)系，見表4所示。

表4 不同腐蝕等級下的加速腐蝕周期與機場環(huán)境腐蝕周期

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，可以得到機場環(huán)境下航空LY12CZ鋁合金腐蝕周期T與腐蝕等級F關(guān)系曲線，如圖5所示

圖5 LY12CZ鋁合金機場環(huán)境下腐蝕周期與腐蝕等級關(guān)系曲線

從圖5可見，LY12CZ鋁合金腐蝕周期在機場環(huán)境中腐蝕周期T與腐蝕等級F符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，對其進行擬合，得到機場環(huán)境中航空LY12CZ鋁合金腐蝕周期T與腐蝕等級F關(guān)系函數(shù)為：

依據(jù)表4和圖5，可認為航空LY12CZ鋁合金材料在機場環(huán)境中的腐蝕等級變化較為緩慢，達到腐蝕等級1時的機場環(huán)境作用時間是6.6a，約等于7a左右，這與實際情況較為吻合，這是因為飛機LY12CZ鋁合金結(jié)構(gòu)表面涂有涂層，涂層的失效期通常為5～6a［11-12］，涂層失效后鋁合金結(jié)構(gòu)才開始出現(xiàn)點蝕狀況，因此其腐蝕狀況達到腐蝕等級1時通常為7a左右，并且鋁合金結(jié)構(gòu)在機場環(huán)境中由點蝕發(fā)展至剝蝕（腐蝕等級5以上）周期長達數(shù)十年，圖5中也體現(xiàn)了這一點。以上分析說明了本工作基于腐蝕等級獲得的航空LY12CZ鋁合金材料于兩種環(huán)境中腐蝕的當(dāng)量關(guān)系是可行和合理的。

5 結(jié)論

所獲當(dāng)量關(guān)系較為準(zhǔn)確地反映了兩種環(huán)境中航空LY12CZ鋁合金材料腐蝕時間的對應(yīng)折算關(guān)系。因此本工作所采用的研究方法和研究結(jié)論應(yīng)可為飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命相關(guān)研究提供新的研究思路和理論基礎(chǔ)。

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