ZL205A材料在海洋環(huán)境中腐蝕開裂的解決措施

鐘登寬，陳文君，周水峰

(重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 401100)

ZL205A材料是一種高強(qiáng)度高韌性鑄造鋁合金，該合金是1971—1975年由北京航空材料研究院研制出來，最初立足于得到綜合性能全面超越俄羅斯BAΠ14、美國(guó)的KO21和國(guó)內(nèi)的ZL204合金，其鑄件用于替代飛機(jī)上一部分LC4和LD5鋁鍛件。由于ZL205A材料抗拉強(qiáng)度≥440 MPa[1]，具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，目前已在航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車等領(lǐng)域內(nèi)大量使用，尤其該合金優(yōu)質(zhì)鑄件在飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈上用于大型受力構(gòu)件和以鑄代鍛、充分發(fā)揮該材料的高強(qiáng)度高韌性能，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。ZL205A材料是典型的AL2Cu系高強(qiáng)度鑄造合金，由于結(jié)晶溫度范圍寬，在組織凝固時(shí)呈粥狀方式凝固，疏松傾向較大，鑄件內(nèi)易產(chǎn)生疏松、熱裂、縮孔等鑄造缺陷。鑄造缺陷和本身化學(xué)成分抗腐蝕能力低導(dǎo)致ZL205A材料鑄造的產(chǎn)品在海洋環(huán)境長(zhǎng)期的使用下，由于維護(hù)保養(yǎng)欠缺等腐蝕原因引起裂紋[3]。近年來,有學(xué)者通過溶液浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)、剝落腐蝕試驗(yàn)、腐蝕失重試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度損失試驗(yàn)研究ZL205A的腐蝕行為，分析了點(diǎn)腐蝕、晶界腐蝕過程，腐蝕對(duì)材料力學(xué)性能的影響，材料的腐蝕失重以及普通腐蝕機(jī)理。通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)(SSRT)、DCB斷裂力學(xué)試驗(yàn)和C環(huán)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究ZL205A合金的應(yīng)力腐蝕敏感性[4]。除了模擬試驗(yàn)研究外，部分產(chǎn)品在海洋環(huán)境中發(fā)生ZL205A材料開裂的實(shí)例也證實(shí)了鑄造ZL205A材料機(jī)械產(chǎn)品裸露在海洋環(huán)境外面存在縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕等多種腐蝕的作用下，引起產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋[5]。所以探索研究ZL205A材料腐蝕開裂的解決方法非常必要，本文通過實(shí)例研究在海洋環(huán)境中ZL205A材料開裂的解決措施。

1 應(yīng)力腐蝕裂紋

1.1 裂紋特點(diǎn)

船載ZL205A材料箱體，安裝在機(jī)器設(shè)備上，處于船甲板上方，箱體上方承受鋼質(zhì)重物，內(nèi)部安裝電氣箱體。箱體主要承受機(jī)器設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊以及在海浪中的傾斜搖擺沖擊。為滿足總體單位對(duì)機(jī)器設(shè)備的輕量化要求，需選擇強(qiáng)度較高的輕質(zhì)金屬。由于ZL205A材料強(qiáng)度高，鑄造及加工工藝成熟，質(zhì)量可控，所以選擇ZL205A—S—T6/Ⅱ-GB/T9438—1999材料。ZL205A材料箱體在船上經(jīng)過6年多的使用，在其下邊緣部位發(fā)現(xiàn)一條約3 cm長(zhǎng)的裂紋，拆卸后發(fā)現(xiàn)底部存在其他3條裂紋，具體見如圖1中箭頭所示。

從箱體裂紋現(xiàn)象分析，裂紋具備以下特征：1)基本都在箱體底部各邊緣；2)裂紋貫穿安裝孔或安裝螺紋孔；3)裂紋由箱體外邊緣向內(nèi)部延伸；4)裂紋位置存在大量白色粉末腐蝕產(chǎn)物。

1.2 理化分析

將裂紋箱體返廠進(jìn)行理化分析，在ZL205A材料開裂的箱體上，取樣4塊(1#～4#)，1#、2#樣品為裂紋部位取樣，3#、4#樣品為正常部位取樣。箱體兩個(gè)過孔與兩個(gè)螺釘孔處均有一條貫穿壁厚且沿孔直徑方向延伸的裂紋，裂紋所在部位表面有漆層脫落，且附著有白色腐蝕產(chǎn)物，裂紋見圖2，圖3，斷口掃描形貌見圖4，圖5。

理化分析結(jié)論為：

1) 送檢箱體在兩個(gè)過孔與兩個(gè)螺釘孔處均有一條貫穿壁厚且沿孔直徑方向延伸的裂紋，裂紋所在部位表面有漆層脫落，且附有白色腐蝕產(chǎn)物。

2) 1#、2#裂紋樣品裂紋特征相似，在孔的端面區(qū)域裂紋較寬，裂紋斷口大部分均呈深黑色或覆蓋有白色腐蝕物，掃描電鏡觀察不到斷裂特征；裂紋尾部為淺灰色，微觀形貌為沿晶加準(zhǔn)解理。X射線能譜分析表明：除材料本身元素外，裂紋斷口上主要含元素O、Na及少量Ca、Cl。

3) 在1#～4#樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)分析,1#樣品Ti、Zr超出GB/T1173—2013中ZL205A規(guī)定；2#樣品Cu、Ti、Zr超出規(guī)定；3#，4#樣品化學(xué)成分正常。

4) 在1#、2#樣品上取樣進(jìn)行拉力試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率符合GB/T 9438—1999《鑄造鋁合金》規(guī)定。

5) 金相檢測(cè)表明：1#、2#裂紋特征相似，主裂紋有分叉、沿晶擴(kuò)展。主裂紋兩側(cè)及附近零件表面有較多沿晶界的網(wǎng)狀細(xì)裂紋，可見腐蝕產(chǎn)物。裂紋周圍無疏松、孔洞聚集等鑄造缺陷。在遠(yuǎn)離裂紋的零件腐蝕表面取金相剖面觀察，也可見沿晶細(xì)裂紋及腐蝕產(chǎn)物。

6) 試樣經(jīng)浸蝕后觀察，組織無過燒；基體組織為α-Al 加細(xì)小質(zhì)點(diǎn)T(Al12CuMn2)相加CuAl2相加未溶相，T 相沿晶界析出。根據(jù)JB/T7946.3—1999，針孔度級(jí)別為一級(jí)。

7) 綜合上述檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為送檢箱體上的裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2 原因分析

根據(jù)箱體出現(xiàn)裂紋的特征從設(shè)計(jì)、制造和使用環(huán)境條件等方面對(duì)裂紋產(chǎn)生的可能因素進(jìn)行分析。

1) 設(shè)計(jì)

箱體在設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的情況下，在船體最大傾斜搖擺條件下，機(jī)械設(shè)備工作時(shí)對(duì)箱體的沖擊振動(dòng)最大，箱體可能因工作應(yīng)力超過本身材料強(qiáng)度而產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過在傾斜搖擺最大條件下，對(duì)箱體所承受的最大沖擊載荷疊加采用ANYSY軟件仿真分析計(jì)算，安全系數(shù)最小為2.4，滿足產(chǎn)品使用要求。

2) 制造

從理化分析的有裂紋箱體力學(xué)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9438要求,熱處理無過燒現(xiàn)象，箱體的針孔度為一級(jí)，箱體表面未見明顯的機(jī)加刀痕，尺寸符合圖紙要求，這說明鑄造缺陷、熱處理缺陷和機(jī)加缺陷不是造成箱體裂紋的直接原因。在箱體裂紋所在部位表面有漆層脫落，且附著有白色腐蝕產(chǎn)物，說明箱體的表面處理層在海洋環(huán)境下已被腐蝕破壞。表面處理缺陷是箱體產(chǎn)生裂紋的原因之一。

3 應(yīng)力腐蝕及其機(jī)理

應(yīng)力腐蝕是指在拉應(yīng)力作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應(yīng)力腐蝕是由外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的材料破壞過程。ZL205A材料箱體位于機(jī)器設(shè)備底部位置與船甲板距離較近，且箱體與安裝構(gòu)件相連為懸臂結(jié)構(gòu)，箱體底部筋與安裝構(gòu)件底部之間存在間隙，因箱體安裝螺栓后對(duì)孔洞間隙未進(jìn)行密封處理，在海洋環(huán)境下，尤其是海浪及暴雨過后，海浪涌入箱體底部與安裝構(gòu)件的間隙，滯留在螺紋通孔與鋼絲螺套、安裝孔與螺栓的間隙中，如圖6所示。用清水清洗保養(yǎng)后，清水與海水混合在一起，滯留在螺栓與螺栓通孔的間隙處，因螺栓為鋼制，箱體材料為加入Cu元素的鑄造鋁合金ZL205A，異種金屬直接接觸且電極電位差極大,在電解液中構(gòu)成宏電池，使電位較低的金屬Al(陽(yáng)極)放出離子，電位較高的金屬Fe(陰極)吸收離子，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

鋁合金在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下，發(fā)生應(yīng)力腐蝕。由于箱體采用T6狀態(tài)ZL205A材料，鑄件本身進(jìn)行熱處理、人工時(shí)效等工序，零件內(nèi)應(yīng)力已消除。經(jīng)過理論分析計(jì)算，在安裝孔及安裝螺紋孔處的工作應(yīng)力相比其他部位較大，所以在海水等腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期浸入的條件下，箱體發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生大量白色腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物不斷增多后，體積膨脹，造成局部應(yīng)力增大以及在工作應(yīng)力的作用下，箱體產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。從裂紋箱體的理化分析特征現(xiàn)象證實(shí)：應(yīng)力腐蝕是箱體產(chǎn)生裂紋的直接原因。

ZL205A箱體材料由于加入Cu,晶間腐蝕敏感性高，本身的抗腐蝕性差，在海洋環(huán)境下安裝在船甲板上方位置，與海水相對(duì)較近。由于安裝螺栓孔洞間隙未進(jìn)行密封處理，腐蝕介質(zhì)(海水、鹽霧)大量長(zhǎng)期進(jìn)入，破壞損傷表面油漆處理層，箱體安裝孔邊緣與螺栓接觸，異種金屬在腐蝕介質(zhì)進(jìn)入條件下，構(gòu)成電池效應(yīng)，在安裝孔附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部腐蝕現(xiàn)象。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物增多，體積膨脹，腐蝕產(chǎn)物發(fā)生“楔入效應(yīng)”產(chǎn)生張應(yīng)力加上產(chǎn)品工作應(yīng)力的作用下，在安裝孔相對(duì)應(yīng)力集中部位，發(fā)生應(yīng)力腐蝕。隨著間的推移，應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料開裂。

4 解決措施

4.1 材料選擇及優(yōu)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)裂紋分析原因，采取在船上應(yīng)用超過十年以上的抗腐蝕性強(qiáng)的鑄造鋁合金ZL114A材料，根據(jù)GB/T1173—1995《鑄造鋁合金》的規(guī)定ZL114A—SB—T5抗拉強(qiáng)度(MPa)≥290。

為適應(yīng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，經(jīng)過有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，原箱體結(jié)構(gòu)的底部增加5 mm凸臺(tái)，后部薄壁增加4 mm的改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其余結(jié)構(gòu)尺寸不變，不影響箱體的安裝。有限元分析箱體在船最大搖擺下機(jī)器設(shè)備工作時(shí)最大應(yīng)力的安全系數(shù)為2.4。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，箱體重量增加9 kg，在后續(xù)箱體鑄造機(jī)加中對(duì)重量進(jìn)行嚴(yán)格控制，箱體實(shí)際重量未超過產(chǎn)品重量指標(biāo)，滿足產(chǎn)品的使用要求。

為驗(yàn)證ZL114A材料箱體的力學(xué)性能，在試驗(yàn)室中設(shè)計(jì)制造了模擬船上安裝機(jī)器設(shè)備的工裝，將箱體安裝在工裝上參照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測(cè)機(jī)械設(shè)備沖擊參數(shù)對(duì)箱體完成了沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。耐振試驗(yàn)在箱體垂直、橫向、縱向三軸分別進(jìn)行頻率為5～16 Hz位移為1 mm的共振檢查，如未發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)頻率，則分別在垂直、橫向、縱向三軸分別進(jìn)行頻率為16～60 Hz，加速度為10 m/s2的共振檢查。在垂直、橫向、縱向三軸方向以每分鐘一個(gè)倍頻程的速率進(jìn)行10次掃頻循環(huán)檢查共振危險(xiǎn)頻率。若該方向上有危險(xiǎn)頻率，則在危險(xiǎn)頻率上振動(dòng)2 h，若沒有危險(xiǎn)頻率則在上限頻率上振動(dòng)2 h。沖擊試驗(yàn)，根據(jù)機(jī)器設(shè)備工作時(shí)箱體橫向、縱向、垂直向的實(shí)測(cè)沖擊加速度值以及持續(xù)時(shí)間，在箱體的橫向、縱向、垂直向進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。耐振和沖擊試驗(yàn)后，檢查ZL114A箱體沖點(diǎn)劃線無變化，箱體無裂紋。

4.2 表面防護(hù)

對(duì)于箱體涉及裝配的螺栓孔洞采用密封膠進(jìn)行封堵以提高產(chǎn)品的防護(hù)性，內(nèi)外表面涂三層防護(hù)漆(底漆+中間漆+面漆)，提高產(chǎn)品抗腐蝕能力。為驗(yàn)證箱體涂膠涂漆效果，采取試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。采用鋼制螺栓螺釘裝配6件鋁合金試樣，在螺孔間隙處涂87硅橡膠、防海水密封膠(HX7837)按GB/T10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過 1 500 h連續(xù)噴霧，涂膠部位均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。將涂87硅橡膠、防海水密封膠(HX7837)各3件鋁合金試樣放于3%NaCl鹽水中，常溫放置360 h后取出觀察，膠層均未出現(xiàn)起泡、開裂及脫落等現(xiàn)象，繼續(xù)將試樣放入3%NaCl鹽水中，加熱到50 ℃，保持240 h后取出觀察，未出現(xiàn)起泡、開裂及脫落等現(xiàn)象。試驗(yàn)證明：87硅橡膠、防海水密封膠(HX7837)具有良好的防護(hù)性。根據(jù)膠質(zhì)粘稠特點(diǎn)以及箱體的使用密封膠條件，箱體蓋板因定期檢修需要拆卸，箱體蓋板螺釘孔洞間隙采用87硅橡膠；因箱體檢修年限長(zhǎng)，所以箱體底部以及側(cè)部間隙采用防海水密封膠密封。為驗(yàn)證三重防護(hù)漆的防護(hù)性，采用涂三層防護(hù)漆的鋁板和鋼板試樣進(jìn)行附著力、沖擊強(qiáng)度、耐鹽水、氙氣老化、鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)均取得良好的效果,具體檢測(cè)項(xiàng)目見表1。

表1 涂三層防護(hù)漆試樣理化檢測(cè)項(xiàng)目

5 結(jié)論

ZL205A材料箱體在海洋環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，通過采用ZL114A材料替代ZL205A材料，優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)，采取密封膠對(duì)裝配間隙密封，對(duì)箱體內(nèi)外表面涂三重防護(hù)漆等措施后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證能滿足海洋環(huán)境下產(chǎn)品使用要求。