7A04和2A97在典型氣候環(huán)境中 的性能演變規(guī)律研究

楊玉萍，劉劍，趙宏坤，劉艷芳，王沖文，戈帆，羅瑞，肖建軍，楊品杰

（云南北方光電儀器有限公司，昆明 650114）

鋁及鋁合金具有密度小、電導(dǎo)熱能力強(qiáng)、成形加工性好以及物理化學(xué)綜合性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、能源、食品、電子、交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中用量僅次于鋼鐵的第二大金屬材料[1-4]。7A04屬于Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)度鋁合金，用于制造飛機(jī)機(jī)體（如蒙皮、結(jié)構(gòu)支撐件以及需要承重的結(jié)構(gòu)部件）和運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)[5-10]。2A97屬于Al-Cu-Li系新型鋁鋰合金，具有強(qiáng)度高、剛度高、韌性好等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注，應(yīng)用在飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)部位[11-12]，用其取代常規(guī)鋁合金，可使構(gòu)件質(zhì)量降低10%～15%，剛度提高15%～20%[13]。但鋁合金的耐蝕性較差，極易發(fā)生點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等局部腐蝕。鋁合金腐蝕嚴(yán)重時，會造成構(gòu)件失效，從而影響到飛機(jī)整機(jī)的服役壽命。隨著航空鋁合金服役環(huán)境日益復(fù)雜，高強(qiáng)鋁合金遭遇腐蝕性的環(huán)境越來越多[14-18]，因此研究鋁合金在典型氣候環(huán)境中的性能演變規(guī)律對于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。以7A04、2A97分別為高強(qiáng)鋁合金、新型鋁合金的代表，開展其在自然環(huán)境下的戶外暴露試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)直觀、可靠。通過對二者的各性能參數(shù)以及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行對比分析，可以獲得不同類鋁合金之間的腐蝕特征和規(guī)律，為材料的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

金屬材料在自然大氣環(huán)境中因氣候或環(huán)境因素的作用而引起的金屬變質(zhì)、甚至破壞的現(xiàn)象稱為金屬的大氣腐蝕[13]。在干凈的大氣環(huán)境中，當(dāng)達(dá)到一定相對濕度后，大氣中的水蒸氣在金屬表面凝聚或吸附成水膜，這是金屬發(fā)生大氣腐蝕的主要原因[19-23]。由此文中選擇在萬寧濕熱海洋、西雙版納濕熱雨林、江津暖濕酸雨三種典型氣候中開展直接暴露試驗(yàn)。暴露0.5、1、1.5、2 a后，采用宏觀測試方法觀察兩種鋁合金外觀形貌，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)和布氏硬度計(jì)測試樣品的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度，分析7A04和2A97在不同典型氣候環(huán)境中的性能演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料選用鋁合金擠壓棒材7A04和1.5 mm厚鋁鋰合金冷軋薄板2A97，化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）見表1。試樣按GB/T 228制成標(biāo)準(zhǔn)圓形（直徑10 mm）和矩形（12.5 mm×1.5 mm）拉伸試驗(yàn)試樣，以及圓形（直徑50 mm）和矩形（50 mm×50 mm）試塊，如圖1和圖2所示。

表1 7A04和2A97化學(xué)成分 Tab.1 Chemical composition of 7A04 and 2A97 %

圖1 7A04試樣 Fig.1 Sample of 7A04

圖2 2A97試樣 Fig.2 Sample of 2A97

1.2 典型環(huán)境戶外暴露試驗(yàn)

將7A04和2A97試樣直接暴露在萬寧濕熱海洋、西雙版納濕熱雨林和江津暖濕酸雨典型氣候環(huán)境下開展自然環(huán)境試驗(yàn)，按0.5、1、1.5、2 a的周期進(jìn)行周期取樣和性能檢測。

1.3 性能檢測

每周期試驗(yàn)結(jié)束后，取回5件拉伸試樣和2件試塊進(jìn)行外觀形貌觀察及抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、硬度等性能的檢測。其中檢測拉伸性能時，保留試樣的表面腐蝕狀態(tài)，不進(jìn)行酸洗。對試樣尺寸進(jìn)行人工檢測后，采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能檢測。7A04硬度性能檢測時，對樣品表面進(jìn)行車削以達(dá)到硬度性能檢測表面粗糙度要求；2A97硬度性能檢測時，不進(jìn)行加工，保留原始表面狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌觀察

7A04和2A97鋁合金樣品在不同典型環(huán)境條件下暴露不同時間后的表面宏觀形貌如圖3和圖4所示。可以看出，7A04和2A97在濕熱海洋氣候環(huán)境下的腐蝕較為嚴(yán)重，在暖濕酸雨氣候環(huán)境下的腐蝕次之，在濕熱雨林氣候環(huán)境下的腐蝕最小，隨著暴露時間的延長，腐蝕情況趨于嚴(yán)重。7A04在濕熱海洋氣候環(huán)境下暴露后，腐蝕產(chǎn)物逐漸覆蓋整個表面；在暖濕酸雨氣候環(huán)境下暴露后，呈現(xiàn)點(diǎn)蝕；在濕熱雨林氣候環(huán)境暴露后，表面附著苔蘚類物質(zhì)或灰塵，未出現(xiàn)明顯腐蝕。2A97在濕熱海洋氣候環(huán)境下暴露后，呈現(xiàn)點(diǎn)蝕；在暖濕酸雨和濕熱雨林氣候環(huán)境下暴露后，表面未出現(xiàn)明顯腐蝕產(chǎn)物，附著苔蘚類物質(zhì)或灰塵。從外觀形貌看，在相同氣候環(huán)境相同暴露時間后，7A04比2A97腐蝕嚴(yán)重。

圖3 7A04不同典型氣候環(huán)境下不同暴露周期后表面宏觀形貌 Fig.3 Marco photots of 7A04 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

圖4 2A97不同典型氣候環(huán)境下不同暴露周期后表面宏觀形貌 Fig.4 Marco photots of 2A97 after different exposure cycles in different typical climatic environments: a) Wanning; b) Xishuangbanna; c) Jiangjin

2.2 抗拉強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)分析

7A04和2A97在不同典型氣候環(huán)境不同暴露周期后，抗拉強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)見表2。可以看出，7A04經(jīng)過2 a的濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度變化較小，說明各典型氣候環(huán)境雖然對7A04表面產(chǎn)生了腐蝕，但腐蝕主要集中在表面，未嚴(yán)重影響其抗拉強(qiáng)度。2A97經(jīng)過2 a的濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度變化也較小，說明濕熱雨林氣候環(huán)境、暖濕酸雨氣候環(huán)境對2A97的抗拉強(qiáng)度影響不大。在經(jīng)過2 a的濕熱海洋氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度下降約9%，說明2 a的濕熱海洋氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)已經(jīng)造成了2A97抗拉強(qiáng)度的劣化。

表2 7A04和2A97抗拉強(qiáng)度平均值 Tab.2 Average tensile strength of 7A04 and 2A97 MPa

2.3 斷后伸長率測試數(shù)據(jù)分析

7A04和2A97在不同典型氣候環(huán)境暴露不同周期后，斷后伸長率測試數(shù)據(jù)見表3。可以看出，經(jīng)過0.5 a的濕熱海洋氣候環(huán)境試驗(yàn)后，7A04和2A97的斷后伸長率出現(xiàn)了不同程度的下降，7A04下降約24%，2A97下降約43%。0.5～2 a的試驗(yàn)期間，二者的斷后伸長率保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯下降，腐蝕處于穩(wěn)定階段。經(jīng)過1.5 a的濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)后，7A04的斷后伸長率基本未發(fā)生變化，直到暴露2 a后，斷后伸長率出現(xiàn)下降，下降約24%，而2A97的依然保持不變。經(jīng)過1 a的暖濕酸雨氣候環(huán)境試驗(yàn)后，7A04的斷后伸長率下降約17%，隨后保持穩(wěn)定；而2A97在暴露1.5 a前，斷后伸長率基本沒發(fā)生變化，暴露2 a后出現(xiàn)下降，下降約33%。從斷后伸長率數(shù)據(jù)分析，2A97的耐蝕性比7A04強(qiáng)。

表3 7A04和2A97斷后伸長率平均值 Tab.3 Average elongation of 7A04 and 2A97 after fracture %

2.4 布氏硬度測試數(shù)據(jù)分析

7A04和2A97在不同典型氣候環(huán)境不同暴露周期后，布氏硬度測試數(shù)據(jù)見表4。可以看出，經(jīng)過2 a的濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)后，7A04和2A97的硬度基本未發(fā)生變化。

表4 7A04和2A97硬度（HB）平均值 Tab.4 Average hardness of 7A04 and 2A97

2.5 分析討論

由外觀形貌可以看出，7A04和2A97經(jīng)過濕熱海洋氣候環(huán)境直接暴露試驗(yàn)后，在腐蝕初期主要表現(xiàn)為典型的點(diǎn)腐蝕特征，隨著暴露試驗(yàn)時間的延長，點(diǎn)蝕逐漸長大，臨近的點(diǎn)蝕坑相互連接，不斷擴(kuò)展。到2 a后，7A04樣品表面點(diǎn)蝕已全部連接成片，2A97樣品表面局部區(qū)域點(diǎn)蝕也成片發(fā)展。該試驗(yàn)結(jié)果與北京科技大學(xué)邢士波等人關(guān)于“7A04鋁合金在西沙海洋大氣中的腐蝕行為研究”以及北京航空材料研究院駱晨等人關(guān)于“熱帶海洋大氣環(huán)境中2A97鋁鋰合金的初期腐蝕機(jī)理研究”結(jié)果一致。根據(jù)邢士波等人的研究成果，7A04鋁合金在高鹽霧大氣環(huán)境中試驗(yàn)后，該材料中含有的第二相Al7Cu2Fe，(Al,Cu)6(Fe,Cu)相對鋁基體的電位要正，在局部腐蝕中作為陰極加速其周圍基體的腐蝕；MgZn2相對鋁基體的電位更負(fù)，作為陽極會優(yōu)先發(fā)生腐蝕溶解。高鹽霧大氣環(huán)境中的Cl－會加速鋁合金表面氧化膜的破裂，從而加速腐蝕[3]。根據(jù)駱晨等人的研究成果，2A97在熱帶海洋大氣環(huán)境中試驗(yàn)后，材料中含有2種尺寸較大金屬間化合物，分別是θ相（Al2Cu）和α相（Al-Cu-Fe-Mn-Si）。鋁基體和θ相、α相之間建立起微電偶對，Cu、Fe、Mn等比Al的電極電位正，θ相、α相充當(dāng)局部陰極，粒子周圍的Al充當(dāng)陽極，發(fā)生陽極溶解。試驗(yàn)初期，許多θ相粒子處已經(jīng)萌生局部腐蝕，α相粒子及其周邊區(qū)域未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。隨著直接暴露試驗(yàn)時間的延長，α相粒子也發(fā)生局部腐蝕[24]。

3 結(jié)論

1）7A04鋁合金在萬寧濕熱海洋氣候環(huán)境試驗(yàn)2 a后，表面腐蝕產(chǎn)物隨暴露時間的延長不斷增多，整個表面出現(xiàn)均勻腐蝕，抗拉強(qiáng)度、伸長率下降，硬度無變化。

2）7A04鋁合金在西雙版納濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)2 a后，表面附著苔蘚類物質(zhì)或灰塵，未出現(xiàn)明顯腐蝕，抗拉強(qiáng)度、硬度無明顯變化；試驗(yàn)1.5 a后，伸長率出現(xiàn)下降。

3）7A04鋁合金在江津暖濕酸雨氣候環(huán)境試驗(yàn)2 a后，表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，抗拉強(qiáng)度、硬度無明顯變化；試驗(yàn)1.5 a后，伸長率出現(xiàn)下降。

4）2A97鋁合金在萬寧濕熱海洋氣候環(huán)境試驗(yàn)2 a后，表面腐蝕產(chǎn)物隨暴露時間的延長不斷增多，由點(diǎn)蝕逐步發(fā)展成局部腐蝕，抗拉強(qiáng)度、伸長率下降，硬度無變化。

5）2A97鋁合金在西雙版納濕熱雨林氣候環(huán)境暴露試驗(yàn)2 a后，表面附著苔蘚類物質(zhì)或灰塵，未出現(xiàn)明顯腐蝕，抗拉強(qiáng)度、伸長率、硬度無明顯變化。

6）2A97鋁合金在江津暖濕酸雨氣候環(huán)境試驗(yàn)2 a后，表面未出現(xiàn)明顯腐蝕，抗拉強(qiáng)度、伸長率出現(xiàn)下降，硬度無明顯變化。

7）2A97鋁合金在濕熱海洋、濕熱雨林、暖濕酸雨氣候環(huán)境中的耐蝕性優(yōu)于7A04。