模擬海洋大氣環境下7B04鋁合金板–TC16鈦合金鉚釘搭接件電偶腐蝕研究

楊翔寧，樊偉杰，張勇，宋宇航，管宇，張泰峰，楊文飛

模擬海洋大氣環境下7B04鋁合金板–TC16鈦合金鉚釘搭接件電偶腐蝕研究

楊翔寧1，樊偉杰2，張勇2，宋宇航2，管宇1，張泰峰2，楊文飛2

（1.中國航空工業集團有限公司 沈陽飛機設計研究所，沈陽 110031；2.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

加強對7B04鋁合金和TC16鈦合金之間電偶腐蝕規律的認識，為特定海洋大氣環境下服役的飛機在腐蝕防護方面提供指導。在模擬海洋大氣環境下，對用鈦合金鉚釘鉚接的7B04鋁–7B04鋁搭接件和極化試件進行10周期加速腐蝕試驗，通過PARSTAT 4000電化學工作站測量2種合金加速腐蝕0、10周期后的極化曲線，并以測得的電化學參數為邊界條件，利用COMSOL對搭接件進行數值模擬仿真，從而與試驗結果進行對比分析；通過疲勞試驗得到搭接件加速腐蝕4、6、8、10周期后的疲勞壽命；利用光學顯微鏡觀察腐蝕微觀形貌并進行疲勞斷口附近的腐蝕坑深度測量；借助X射線衍射儀分析鋁合金的腐蝕產物成分。在加速腐蝕0周期和10周期后，鋁合金的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度分別為?802 mV和?872 mV，2.357×10?7A/cm2和1.477×10?6A/cm2，鈦合金則分別為?313 mV和?274 mV，1.638×10?8A/cm2和4.144×10?8A/cm2。疲勞斷口位置和腐蝕最嚴重區域與數值模擬仿真電位差最大位置一致，隨著腐蝕周期的延長，腐蝕越來越嚴重，腐蝕坑深度逐漸增大。2種合金之間發生電偶腐蝕，7B04鋁合金作為陽極發生腐蝕，并隨著腐蝕周期的延長自腐蝕電位負移，腐蝕速率增大；TC16鈦合金作為陰極，隨著腐蝕周期的延長自腐蝕電位正移；XRD圖譜顯示鋁合金腐蝕產物的成分主要為Al(OH)3、Al2O3；數值模擬仿真的結果與試驗結果一致；飛機新結構設計和舊結構維護要重點關注鉚釘周圍，避免疲勞失效。

鋁合金；鈦合金；電偶腐蝕；仿真；極化曲線；XRD；疲勞

鋁合金和鈦合金因其具有高強度、低密度的特性，在飛機結構設計選材時得到廣泛應用，其中7B04鋁合金屬于Al–Zn–Mg–Cu系的高純高強鋁合金，具有很高的硬度和抗拉強度，主要應用于飛機的關鍵承力結構，如飛機的蒙皮、大梁、桁條等[1]。TC16鈦合金由于其自身獨特的優勢，也受到航空界的青睞，主要用于關鍵結構連接件的選材設計，發展前景較好[2]。飛機在沿海服役時會面臨“高鹽霧、高溫度、高濕度”等嚴苛腐蝕環境的挑戰，采用上述2種材料設計的飛機典型關鍵連接結構極易發生電偶腐蝕，同時7B04鋁合金和TC16鈦合金間較大的電位差將導致電偶腐蝕發生得更為劇烈，從而快速引發鋁合金結構的腐蝕疲勞失效[3-5]。因此，為了更好地指導飛機結構選材設計并預防事故發生，對2種合金之間的電偶腐蝕規律需具有更深刻的認識。

Zhang等[6]研究了7B04鋁合金在海洋大氣環境中的腐蝕問題，研究發現，隨著試驗周期的延長，鋁合金由點蝕發展為全面腐蝕，表現出應力腐蝕開裂。王晨光等[7-9]發現在模擬海洋大氣環境下，鋁合金發生腐蝕的本質是薄液膜條件下的電化學腐蝕現象。當結構表面涂層發生破損時，7B04鋁合金首先出現點蝕，并受Cl?濃度和pH值的影響，電偶腐蝕問題進一步加重。尹作升等[10]研究發現，將2024鋁合金與電位較正的另一種金屬鈦連接會加速腐蝕，需為鋁合金提供可行的腐蝕防護措施，通過對鋁合金材料采用陽極極化處理，可明顯改善電偶腐蝕敏感性，降低電偶腐蝕電流，減少平均腐蝕失重。陳躍良等[11-12]、劉治國等[13-14]對航空用高強度鋁合金進行了深入研究，揭示了鋁合金的腐蝕規律。

上述研究均是以試片級材料為試驗對象開展的，而針對實際典型搭接結構的試驗研究卻鮮有報道。因此，文中以7B04鋁合金板–TC16鈦合金鉚釘搭接件為研究對象，分別對2種材料和搭接件開展腐蝕試驗，同時在極化曲線擬合出的電化學參數基礎上進行數值模擬仿真并與腐蝕試驗結果進行對比，實現仿真與試驗的相互驗證。利用腐蝕形貌、腐蝕成分、腐蝕坑深度、疲勞斷口位置、電化學參數和仿真預測等多種手段，表征7B04鋁合金和TC16鈦合金在模擬海洋大氣環境下的電偶腐蝕規律。通過觀察搭接件宏微觀形貌和疲勞斷口位置，初步了解鋁合金發生腐蝕的本質，同時借助XRD圖譜分析得到腐蝕產物的主要成分，進一步加深對鋁合金腐蝕本質的認識，為后續飛機結構選材設計和腐蝕防護提供指導。

1 試驗

1.1 試件制備

試驗前需對每個試件依次用丙酮、蒸餾水、無水乙醇去油去水，然后采用環氧樹脂將處理好的試件固封在PVC管中，預留一個10 mm×10 mm的工作面和一根與金屬試件相導通的導線。采用極化曲線測量試驗所需鋁合金、鈦合金試件時，均需將3 mm厚的板材切割成10 mm×10 mm×3 mm的小塊。

在典型搭接件的周浸腐蝕試驗和疲勞試驗中，需制備如圖1和圖2所示的搭接結構來準確模擬飛機實際結構。搭接件的4塊薄板材料為7B04鋁合金，如圖2a所示，其化學成分見表1。鉚釘的材料是TC16鈦合金，尺寸為M5 mm×16 mm，其化學成分見表2。

圖1 加速腐蝕試驗搭接件

圖2 搭接件組成

1.2 加速腐蝕試驗

在模擬海洋大氣環境下借助ZQFS–1600循環浸潤試驗箱進行腐蝕試驗，一個加速周期包括浸泡試驗和干燥試驗。首先模擬鹽霧和酸性氣體，將搭接件和極化試件放在pH值為4.0～4.5、質量分數為5%的NaCl溶液中浸泡，浸泡時間為7.5 min，然后模擬潮濕空氣及凝露的作用過程，在（43±2）℃、相對濕度為95%的溫濕環境下用遠紅外燈照射進行表面溶液的烘干，干燥時間為22.5 min。

表1 7B04鋁合金成分

Tab.1 7B04 aluminium alloy composition content table　wt.%

表2 TC16鈦合金成分

Tab.2 TC16 titanium alloy composition content table　wt.%

單個腐蝕周期為190 h，所有試件均需進行10個周期的加速腐蝕試驗。在0、10周期結束后測量極化試件的極化曲線；在4、6、8、10周期結束后，對搭接件進行疲勞試驗；在0、5、10周期結束后，觀察搭接件的宏觀形貌和鉚接處的微觀形貌。

1.3 極化曲線測量試驗

采用如圖3所示的微距參比電極倒置的方法進行薄液膜狀態下的極化曲線測量試驗，目的是降低液膜中歐姆降較大對測量結果的影響。借助PARSTAT 4000電化學工作站，采用經典的三電極體系在室溫下對試件的極化曲線進行測量，其中輔助電極材料為鉑，參比電極為飽和KCl溶液，液膜厚度為100 μm，電解質溶液為質量分數5%的NaCl溶液。采用掃描范圍為?500～500 mV（vs. OCP）、掃描速率為1 mV/s的動電位掃描。

圖3 微距參比電極倒置

1.4 搭接件疲勞試驗

飛機搭接結構通常是不進行拆解的，然而在不拆解結構時，結構的內部腐蝕損傷是不可檢的，也就無法為計算結構腐蝕疲勞壽命提供所需的腐蝕損傷量和結構細節參數[15]。因此，需對加速腐蝕4、6、8、10周期后的搭接件進行疲勞試驗，以確定疲勞壽命、疲勞源的位置及其附近腐蝕坑的平均深度。疲勞試驗采用的疲勞載荷譜如圖4所示，應力比=0.06。

圖4 疲勞載荷譜

1.5 數值模擬計算

通過有限元法，利用穩態腐蝕場模型進行數值模擬仿真。在腐蝕電解質溶液中取一正方體微小單元，假設帶電粒子從、、這3個方向通過微元，其總傳輸通量N（mol·m?2·s?1）滿足Nernst–Planck方程，如式（1）所示。

借助法拉第定律和歐姆定律得到式（2），其中l（A/m2）為腐蝕介質中電流密度。

通過微小單元其中一面左右兩側電勢、電量的關系，再結合式（1）—（2），整理得到典型的Laplace方程，對腐蝕電場中的電勢分布規律進行描述，如式（3）所示。

1.6 研究表征手段及相應設備

在ZQFS–1600循環浸潤試驗箱中進行加速腐蝕試驗，其中試驗工作室尺寸為1 400 mm×1 000 mm× 900 mm，溫度為室溫～80 ℃，誤差為±0.5 ℃，烘烤區試驗件表面溫度為40～85 ℃，相對濕度為40%～97%，相對濕度波動度為±5%。表征手段包括極化曲線的測量、宏微觀形貌的觀察及腐蝕坑深度測量、XRD物相分析、疲勞試驗。極化曲線采用PARSTAT 4000型號電化學工作站，它的電壓測試范圍為±10 V，分辨率為1.5 μV，電流測試范圍為40 pA～ 4 A，分辨率為1.2 fA。采用KH–7700和OLYMPUS體視顯微鏡進行微觀形貌觀察，放大倍數最小為20，最大為3 500，可直接測量腐蝕坑深度，精度為0.01 μm。XRD采用Malvern Panalytical EMPYR-EAN SERIES 3進行分析，2角掃描范圍為10°～90°，疲勞試驗在MTS810材料綜合試驗機上進行。

2 結果與分析

2.1 極化曲線結果分析

試驗測得了鋁合金和鈦合金在加速腐蝕0、10周期后的極化曲線，如圖5所示。

在搭接件試驗中，7B04鋁合金一方面會發生自腐蝕，另一方面還會因與高電位的TC16鈦合金接觸而發生電偶腐蝕。鋁合金的點蝕和其電位密切相關，當超過點蝕電位時，點蝕就會穩定進行，圖5a中10周期陽極極化曲線顯示，7B04鋁合金的點蝕電位大約為?700 mV，在點蝕電位之前隨著電位升高，電流密度基本保持不變，說明此時處于鈍化狀態；在電位達到大約?700 mV之后電位基本不變，而此時的電流密度卻是急劇增大，這就是進入點蝕的表征，最終導致鋁合金表面出現腐蝕坑。7B04鋁合金的陽極極化曲線和TC16鈦合金的陰極極化曲線都有明顯的塔菲爾強極化區，即隨著極化電位的上升和下降，電流密度基本保持不變。圖5b中10周期的極化曲線顯示，隨著陰極極化電位的下降，陰極電流密度基本保持不變，說明此時陰極反應速率受到氧氣擴散過程的控制[16]，氧氣擴散受到抑制，鋁合金的陽極反應也隨著腐蝕產物的堆積而受到抑制，腐蝕減緩。

圖5 2種合金0、10周期后極化曲線

表3為借助Cview軟件對2種合金的極化曲線進行擬合后的結果，其中A和C分別為陽極和陰極塔菲爾（Tafel）斜率，0為自腐蝕交換電流密度，0為自腐蝕電位。這些參數可直接反映2種合金在第0、10周期的電化學性能，可作為數值模擬仿真階段的邊界條件。

表3 2種合金電化學參數

Tab.3 Electrochemical parameters of two alloys

擬合數據結果表明，7B04的自腐蝕電位低于TC16的自腐蝕電位，因此7B04作為陽極發生腐蝕。自腐蝕電位可以表明腐蝕傾向，鋁合金自腐蝕電位負移說明腐蝕傾向增大，鈦合金自腐蝕電位正移說明腐蝕傾向減小，這與實際鋁合金作陽極、鈦合金作陰極是相符合的。隨著腐蝕周期的增長，鋁合金自腐蝕電位負移致使腐蝕驅動力增大，腐蝕電流密度增大，腐蝕越來越嚴重。

2.2 搭接件宏觀形貌分析

完成不同周期腐蝕試驗后將搭接件取出，用毛刷在去離子水中沖洗，待晾干后對試驗件的宏觀腐蝕形貌進行觀察記錄，圖6為3個不同腐蝕周期后的宏觀形貌。這能直觀地反映出搭接件表面腐蝕形貌的變化規律，可以對試件表面狀態有初步的認識并對腐蝕速率進行初步判斷。由圖6可知，腐蝕主要發生在鋁合金表面上，鈦合金受到陰極保護，隨著腐蝕周期的延長，腐蝕越來越嚴重，鋁合金表面由光亮逐漸變暗，光亮區域逐漸減少，表面越發粗糙，特別是鉚接部位附近，越靠近TC16鈦合金鉚釘的位置腐蝕越嚴重，其他地方腐蝕較輕。

a 0周期后b 5周期后c 10周期后

2.3 搭接件微觀形貌分析

為了更加清晰地分析試件腐蝕機理，采用OLYMPUS體視顯微鏡在室溫下對試件不同腐蝕周期后的微觀腐蝕形貌做了進一步觀察，如圖7所示，左側為鉚釘周圍的整體微觀腐蝕形貌，中間為清洗腐蝕產物前的局部腐蝕微觀形貌，右側為清洗后的局部微觀形貌。

由圖7可以更加清楚地看到鉚接處表面狀態的變化情況，初始狀態時鉚接處鋁合金表面完好無損，5個腐蝕周期結束后，圖7d—f顯示鉚接處表面出現少量蝕坑，密度和面積均較小，并且有少量的白色物體附著。由于鈦合金未發生腐蝕，初步推測白色物體是Al(OH)3、Al2O3的混合物[17]。10個腐蝕周期后蝕坑的數量、密度和單個蝕坑的面積均明顯增大，表面觀察到的因腐蝕而變暗的現象隨著加速腐蝕周期延長更加明顯，且有大量的白色難溶性產物附著。鉚釘開孔位置周圍相對其他位置出現較多腐蝕產物和點蝕坑[18]，這是因為實際搭接件鉚接處存在縫隙，空氣中的氧向鉚釘處縫隙內部擴散困難，縫隙內部氧濃度低，而外部氧濃度高即富氧區，內外氧濃度形成濃差電池，導致此處鋁合金被腐蝕。

圖7 鉚接處腐蝕微觀形貌

2.4 腐蝕坑深度測量與疲勞試驗

從預測和試驗結果來看，搭接件的腐蝕嚴重區主要位于鉚釘部位附近，該處最先發生失效，故主要研究該區域的腐蝕坑。在疲勞試驗結束后，選取4、6、8、10周期具有代表性的搭接件，對搭接件的斷口周圍進行腐蝕產物去除后，選取3個具有代表性的腐蝕坑位置，利用KH–7700光學顯微鏡進行三維蝕坑深度測量，誤差范圍為±2 μm。圖8為7B04鋁合金表面腐蝕嚴重區的腐蝕坑三維合成圖，可以看到材料表面遍布有大小不一的腐蝕坑。

對3個位點的腐蝕坑深度取平均值，然后對平均腐蝕坑深度隨周期變化規律進行作圖分析，如圖9所示。

a 4周期后b 6周期后 c 8周期后d 10周期后

圖9 平均腐蝕坑深度

圖9中一定程度上能夠顯示不同周期試件的腐蝕程度，結果表明，隨著腐蝕周期的延長，腐蝕坑深度逐漸增大，試驗初期腐蝕坑深度增長速率較小，隨著試驗的進行，增長速率增大，試驗后期增速又有所下降。腐蝕深度隨時間變化的曲線大致為S型，呈緩慢增長—快速增長—保持穩定的過程。在第8周期之后，鋁合金的點蝕敏感性下降，表面的腐蝕產物對鋁合金起到一定的保護作用[19]，腐蝕坑深度增長放緩。

對4、6、8、10周期后的搭接件進行疲勞試驗，每個周期選取8個搭接件，由試驗數據求得的在給定應力水平下具有95%置信度、95%可靠度的中值疲勞壽命95/95結果如表4所示，1—8為同一周期條件下選取搭接件的編號。

表4 搭接件疲勞壽命

Tab.4 Median fatigue life of lap joints

表4中的數據顯示隨著腐蝕周期的延長，中值疲勞壽命逐漸縮短，表4中相鄰周期之間中值疲勞壽命的差值也由大變小。在4～6周期內，中值疲勞壽命下降得相對較快，這與該階段腐蝕速率較快有著密切的關系，因為鉚接處鋁合金發生腐蝕后疲勞強度下降，更容易成為疲勞源，導致此處發生斷裂。

2.5 XRD圖譜分析

利用X射線衍射儀對加速腐蝕0、5、10周期的腐蝕產物的成分進行XRD圖譜分析，結果如圖10所示。

圖10 不同腐蝕周期的腐蝕產物XRD圖譜

由圖10可知，3條曲線中均有基體Al的衍射峰，腐蝕產物中Al的衍射峰是由X射線穿透腐蝕產物層在基體上發生衍射所致[20]。7B04發生腐蝕后的產物以Al(OH)3、Al2O3為主，腐蝕5周期后的產物中未檢測到Al(OH)3的存在，是由于Al(OH)3含量相對較少且易于發生脫水反應生成Al2O3。腐蝕產物中未檢測到AlCl3，是因為當鋁合金表面有Cl?存在時，它可以通過競爭吸附取代Al(OH)3中的OH?生成AlCl3，而AlCl3具有可溶性，因此在腐蝕產物中沒有大量存在。就算只有少量的Cl?進入腐蝕產物層中，也因為含量較少而不容易被檢測到[21]。

2.6 搭接件腐蝕預測與試驗結果對比

借助COMSOL 5.4軟件，在薄液膜厚度為100 μm條件下，利用穩態腐蝕模型[22-24]對浸潤腐蝕10周期后的搭接件進行腐蝕電位和腐蝕電流密度預測。建立搭接件三維仿真模型，在電化學模塊中選擇二次電流分布進行穩態研究，設置的參數包括溶液的電導率、陰陽極的平衡電位、交換電流密度、Tafel斜率等，結果如圖11和圖12所示，其中圖11b和圖12b為局部放大圖。

圖11a的搭接件表面電位分布結果顯示，搭接件耦合電位為?727～?723 mV，由中間鉚接處向兩側電位遞減。7B04鋁合金作為陽極被腐蝕，發生陽極極化，電位由?872 mV正移至?725 mV，變化量為147 mV；TC16鈦合金發生陰極極化受到保護，電位由?275 mV負移至?723 mV，變化量為448 mV，其中鉚釘和鋁合金的交界處電位差最大，表明這是電偶效應最顯著的位置。另外，圖11b顯示了電偶腐蝕作用范圍，是比螺孔半徑大約2 mm的圓形區域。

搭接件表面電位的不同導致電流密度分布（腐蝕速率）也不相同，電流密度分布結果表明，鋁合金搭接面與鈦合金鉚釘接觸位置電流密度最大，腐蝕速率最高，且腐蝕嚴重區主要集中在鉚釘周圍，其他區域的電流密度相對較小，腐蝕較輕。電流密度也是呈現出向兩側遞減的趨勢，鋁合金板兩側電流密度最小為0.5 A/m2，靠近搭接區的電流密度最大為2 A/m2。7B04鋁合金與TC16鈦合金發生電偶腐蝕，導致其電流密度從1.4771×10?2A/m2提高到2 A/m2，提高了約135倍，這就是搭接處腐蝕破壞強烈的原因。

圖11 腐蝕電位預測

圖12 腐蝕電流密度預測

偶合金屬的電極電位差愈大，電偶電流愈大，電偶腐蝕的驅動力愈大，腐蝕速率也就愈大。搭接件的腐蝕電位和電流密度的預測剛好也印證了這一點，因此，易腐蝕部位主要出現在鉚釘與鋁合金基體接觸的釘孔處。此處腐蝕發生的程度較大，在疲勞試驗過程中也最易成為疲勞源。疲勞斷口位置（見圖13）結果可以對此進行充分證明，同樣也驗證了數值模擬仿真結果與試驗結果的一致性。對斷口截面進行微觀形貌的觀察，如圖14所示，左側為腐蝕區域，右側為未腐蝕的鋁合金基體截面，、表示裂紋擴展的疲勞源，、表示搭接件的斷裂走向，裂紋擴展是從腐蝕坑開始的，而且整個斷口的發展路徑是沿著腐蝕坑的分布進行的，這充分說明了腐蝕坑易成為疲勞源。

圖13 疲勞斷口位置

圖14 疲勞源及裂紋擴展

3 結論

通過極化曲線測量試驗、宏微觀形貌觀察、疲勞試驗、XRD測腐蝕產物物相、COMSOL仿真等，可以得出以下結論。

1）7B04鋁合金作為陽極發生腐蝕，隨著腐蝕周期的延長自腐蝕電位負移；TC16鈦合金作為陰極受到保護，隨著腐蝕周期的延長自腐蝕電位正移。宏微觀形貌結果表明，腐蝕發生在鋁合金和鈦合金搭接位置，隨著腐蝕周期的延長，腐蝕越來越嚴重，腐蝕產生的位置清晰可見。

2）隨著陽極極化電位的升高，7B04鋁合金由鈍化狀態進入點蝕狀態，在加速腐蝕6～8周期內腐蝕速率較快，平均腐蝕坑深度增長較快。XRD檢測結果表明，7B04鋁合金腐蝕產物的主要成分為Al(OH)3、Al2O3，鋁合金受海洋大氣薄液膜作用最初形成Al(OH)3，隨后發生脫水反應生成Al2O3，表面由點蝕最終發展成均勻腐蝕。

3）COMSOL仿真結果表明，在2種合金的搭接處電位差和電流密度最大，這也是腐蝕發生最嚴重最劇烈的位置，同樣也是疲勞試驗的斷口位置，通過微觀分析找到疲勞源，證明了仿真結果與試驗結果的一致性。

[1] 張凱, 李迪凡, 文邦偉, 等. 基于岸基與遠洋移動平臺的7B04鋁合金腐蝕行為比較研究[J]. 表面技術, 2021, 50(1): 405-412.

ZHANG Kai, LI Di-fan, WEN Bang-wei, et al. Com-pa-rative Research on Corrosion Behaviors of 7B04 Alu-mi-nium Alloy on the Ocean-Going Ship Platform and Off-shore Platform[J]. Surface Technology, 2021, 50(1): 405- 412.

[2] 劉全明, 張朝暉, 劉世鋒, 等. 航空緊固件用鈦合金TC16研究與發展[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(4): 17-19.

LIU Quan-ming, ZHANG Zhao-hui, LIU Shi-feng, et al. Research and Development of Aerospace Fasteners Made with TC16 Alloy[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(4): 17-19.

[3] 李斌, 董麗虹, 王海斗, 等. 航空航天鋁合金腐蝕疲勞研究進展[J]. 表面技術, 2021, 50(7): 106-118.

LI Bin, DONG Li-hong, WANG Hai-dou, et al. Research Progress on Corrosion Fatigue of Aerospace Aluminum Alloy[J]. Surface Technology, 2021, 50(7): 106-118.

[4] 高蒙, 孫志華, 劉明, 等. 7B04鋁合金在NaCl沉積與SO2環境下的大氣腐蝕行為[J]. 環境技術, 2016, 34(5): 9-13.

GAO Meng, SUN Zhi-hua, LIU Ming, et al. Atmospheric Corrosion Behavior of 7B04 Aluminum Alloy in the Presence of NaCl and SO2[J]. Environmental Technology, 2016, 34(5): 9-13.

[5] 張泰峰, 王德, 李旭東, 等. 不同海域下7B04鋁合金鉚接結構的腐蝕行為對比研究[J]. 機械科學與技術, 2020, 39(8): 1283-1287.

ZHANG Tai-feng, WANG De, LI Xu-dong, et al. Com-parative Study on Corrosion Behavior of 7B04 Aluminum Alloy Riveted Structure under Different Sea Areas[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(8): 1283-1287.

[6] ZHANG Xiao-yun, LIU Ming, LU Feng, et al. Atmo-spheric Corrosion of 7B04 Aluminium Alloy in Marine Environments[J]. Corrosion Science and Technology, 2018, 17(1): 6-11.

[7] 王晨光, 陳躍良, 張勇, 等. 7B04鋁合金在模擬海洋大氣環境下的腐蝕行為[J]. 航空材料學報, 2017, 37(1): 59-64.

WANG Chen-guang, CHEN Yue-liang, ZHANG Yong, et al. Corrosion Behavior of 7B04 Al-Alloy in Simulated Marine Atmospheric Environment[J]. Journal of Aeronau-tical Materials, 2017, 37(1): 59-64.

[8] 王晨光, 陳躍良, 張勇, 等. 表面涂層破損對7B04鋁合金點蝕的影響及仿真研究[J]. 航空材料學報, 2016, 36(6): 48-53.

WANG Chen-guang, CHEN Yue-liang, ZHANG Yong, et al. Influence and Simulation Study of Surface Coating Damage on Pitting Corrosion of 7B04 Aluminum Alloy [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(6): 48-53.

[9] 王晨光, 陳躍良, 張勇, 等. 飛機用7B04鋁合金縫隙腐蝕試驗及仿真研究[J]. 裝備環境工程, 2017, 14(3): 39-46.

WANG Chen-guang, CHEN Yue-liang, ZHANG Yong, et al. Crevice Corrosion Experiment and Simulation Study of 7B04 Aluminum Alloy for Aircraft[J]. Equipment Envir-onmental Engineering, 2017, 14(3): 39-46.

[10] 尹作升, 裴和中, 張國亮, 等. 陽極極化處理對2024鋁合金電偶腐蝕行為的影響[J]. 表面技術, 2011, 40(2): 36-37.

YIN Zuo-sheng, PEI He-zhong, ZHANG Guo-liang, et al. Effect of Anodic Treatment on Galvanic Corrosion of 2024 Al Alloy[J]. Surface Technology, 2011, 40(2): 36- 37.

[11] 陳躍良, 趙紅君, 王晨光, 等. 7B04鋁合金和30CrMnSiA鋼短期腐蝕的電化學行為研究[J]. 裝備環境工程, 2018, 15(1): 34-39.

CHEN Yue-liang, ZHAO Hong-jun, WANG Chen-guang, et al. Short-Term Electrochemical Corrosion Behavior of 7B04 Aluminum Alloy and 30CrMnSiA Steel[J]. Equip-ment Environmental Engineering, 2018, 15(1): 34-39.

[12] 陳躍良, 趙紅君, 卞貴學, 等. 電偶效應對與30CrMnSiA鋼耦合的7B04鋁合金當量折算系數的影響[J]. 航空學報, 2017, 38(12): 421358.

CHEN Yue-liang, ZHAO Hong-jun, BIAN Gui-xue, et al. Influence of Galvanic Action on Equivalent Conversion Coefficient of 7B04 Aluminum Alloy Coupled with 30CrMnSiA Steel[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(12): 421358.

[13] 劉治國, 顏光耀, 呂航. 7B04鋁合金服役環境下點蝕表面損傷特征研究[J]. 環境技術, 2017, 35(5): 46-49.

LIU Zhi-guo, YAN Guang-yao, LYU Hang. Research on Pitting Corrosion Damage Characteristics of 7B04 Alu-minum Alloys in Service Environment[J]. Environmental Technology, 2017, 35(5): 46-49.

[14] 劉治國, 韓玉, 朱武峰, 等. 基于點蝕試驗的7B04鋁合金材料點蝕密度研究[J]. 環境技術, 2017, 35(4): 8-11.

LIU Zhi-guo, HAN Yu, ZHU Wu-feng, et al. Research of 7B04 Aluminum Alloys Pitting Corrosion Density Based on Pitting Corrosion Test[J]. Environmental Technology, 2017, 35(4): 8-11.

[15] 劉海燕, 王紅斌, 張亞娟. 搭接結構件腐蝕疲勞試驗技術[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(6): 13-16.

LIU Hai-yan, WANG Hong-bin, ZHANG Ya-juan. Cor-ro-sion Fatigue Test Technique of Lap Jointed Stru-cture[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 9(6): 13-16.

[16] 孫強. 模擬海洋環境下7B04鋁合金電偶腐蝕預測及驗證[J]. 失效分析與預防, 2018, 13(4): 203-208.

SUN Qiang. Prediction and Verification of Galvanic Corrosion of 7B04 Aluminum Alloy under Simulated Marine Environment[J]. Failure Analysis and Prevention, 2018, 13(4): 203-208.

[17] 尹學濤, 李文翰, 李麗, 等. 鋁合金在我國不同氣候條件下的腐蝕行為及防腐蝕措施的研究現狀[J]. 材料保護, 2019, 52(3): 111-116.

YIN Xue-tao, LI Wen-han, LI Li, et al. Research Status of Corrosion Behavior and Anticorrosion Measures of Aluminum Alloy under Different Climate in China[J]. Materials Protection, 2019, 52(3): 111-116.

[18] 周松, 許良, 回麗, 等. 不同腐蝕環境下高強鋁合金腐蝕行為[J]. 中國機械工程, 2017, 28(16): 2000-2007.

ZHOU Song, XU Liang, HUI Li, et al. Corrosion Beha-vior of High Strength Aluminum Alloy under Different Corrosion Environments[J]. China Mechanical Enginee-ring, 2017, 28(16): 2000-2007.

[19] 戴蕓, 劉勝膽, 鄧運來, 等. 7020鋁合金在3.5%NaCl溶液中的點蝕行為[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2017, 37(3): 279-286.

DAI Yun, LIU Sheng-dan, DENG Yun-lai, et al. Pitting Corrosion of 7020 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solu-tion[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2017, 37(3): 279-286.

[20] 李一, 李坤, 李立東, 等. 3A12、5052、6063鋁合金在沿海大氣環境中的腐蝕行為[J]. 腐蝕與防護, 2019, 40(7): 490-496.

LI Yi, LI Kun, LI Li-dong, et al. Corrosion Behavior of 3A12, 5052, 6063 Aluminum Alloys in Coastal Atmo-sphere[J]. Corrosion & Protection, 2019, 40(7): 490-496.

[21] 馬騰, 王振堯, 韓薇. 鋁和鋁合金的大氣腐蝕[J]. 腐蝕科學與防護技術, 2004, 16(3): 155-161.

MA Teng, WANG Zhen-yao, HAN Wei. A Review of Atmospheric Corrosion of Aluminum and Aluminum Alloys[J]. Corrosion Science and Technology Protection, 2004, 16(3): 155-161.

[22] DESHPANDE K B. Effect of Aluminium Spacer on Galvanic Corrosion between Magnesium and Mild Steel Using Numerical Model and SVET Experiments[J]. Corro-sion Science, 2012, 62: 184-191.

[23] MANDEL M, KRüGER L. Determination of Pitting Sensitivity of the Aluminium Alloy EN AW-6060-T6 in a Carbon-Fibre Reinforced Plastic/Aluminium Rivet Joint by Finite Element Simulation of the Galvanic Corrosion Process[J]. Corrosion Science, 2013, 73: 172-180.

[24] CROSS S R, GOLLAPUDI S, SCHUH C A. Validated Numerical Modeling of Galvanic Corrosion of Zinc and Aluminium Coatings[J]. Corrosion Science, 2014, 88: 226-233.

Galvanic Corrosion of 7B04 Aluminium Alloy Plate-TC16 Titanium Alloy Rivet Lap Joint in Simulated Marine Atmospheric Environment

1,2,2,2,1,2,2

(1. Shenyang Aircraft Design Institute, China Aviation Industry Group Co., Ltd., Shenyang 110031, China; 2. Qingdao Campus, Naval Aviation University, Shandong Qingdao 266041, China)

This paper aims to strengthen the knowledge of galvanic corrosion between 7B04 aluminium alloy and TC16 titanium andprovide guidance on corrosion protection for aircraft in service under specific marine atmospheric environment. The 10-cycle accelerated corrosion test of 7B04 Aluminium-7B04 aluminium lap joints riveted with titanium alloy rivets and polarization test pieces were carried out in simulated marine atmospheric environment. Polarization curves of two alloys after 0 cycle and 10 cycles were measured by PARSTAT 4000 electrochemical workstation. Its results were used as boundary conditions for COMSOL numerical simulation to contrast with test results. Fatigue life of lap joints after 4, 6, 8 and 10 cycles of accelerated corrosion test were obtained by fatigue test. Observation of corrosion morphology and measurement of corrosion pit depth near fatigue fracture were got by using optical microscope. Using XRD to analysis corrosion products of aluminium alloy so as to reveal whether the corrosion mechanism has changed. Through a variety of characterization test results, the galvanic corrosion between 7B04 aluminum alloy and TC16 Titanium alloy is explained from different angles. Coupled with the comparative analysis with the numerical simulation results, the reliability and accuracy of the test results are ensured. After 0 cycles and 10 cycles of the accelerated corrosion test, the self-corrosion potential and self-corrosion current density of aluminium alloy are ?802 mV and ?872 mV, 2.357×10?7A/cm2and 1.477×10?6A/cm2, respectively, while those of titanium alloy are respectively ?313 mV and ?274 mV, 1.638×10?8A/cm2and 4.144×10?8A/cm2. The location of the fatigue fracture is consistent with the most severely corroded area and the largest potential difference in numerical simulation. With the extension of the corrosion cycle, the corrosion becomes more and more serious, and the depth of the corrosion pit gradually increases. Galvanic corrosion occurs between the two alloys. 7B04 aluminium alloy corrodes as the anode, and with the extension of the corrosion cycle, the corrosion potential is negatively shifted, and the corrosion rate increases; TC16 titanium alloy is used as the cathode, and the corrosion potential is positively shifted with the extension of the corrosion cycle. XRD spectrums show that the main components of aluminium alloy corrosion products are Al(OH)3, Al2O3; XRD results show that the corrosion mechanism of 7B04 aluminum alloy in 0-10 cycle has not changed, and with the progress of corrosion, a large number of corrosion products wrap the aluminum alloy surface, resulting in the slow growth rate of corrosion pit depth, indicating that the uniform corrosion layer on the surface has a certain protective function, which will reduce the pitting corrosion sensitivity of the aluminum alloy surface. The numerical simulation results are consistent with the experimental results. Through the comprehensive analysis of corrosion morphology and numerical simulation results, the action range of galvanic corrosion is found out. In addition to the internal corrosion of the screw hole, the maximum range is about a circular area 2 mm larger than the radius of the screw hole. Aircraft new structure design and old structure maintenance should focus on rivets around to avoid fatigue failure.

aluminium alloy; titanium alloy; galvanic corrosion; simulation; polarization curve; XRD; fatigue

V252；TG17

A

1001-3660(2022)05-0223-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.05.023

2021–11–09；

2021–12–27

2021-11-09；

2021-12-27

國家自然科學基金（5210110643）；山東省自然科學基金（ZR2020AAE130，ZR2020ME131）；山東省高等學校青創科技支持計劃（2020KJA014）

The Natural Science Foundation of China (5210110643); National Natural Science Foundation of Shandong (ZR2020AAE130, ZR2020ME131); Youth Entrepreneurship and Technology of Colleges and Universities in Shandong Province (2020KJA014)

楊翔寧（1991—），男，碩士，工程師，主要研究方向為飛機結構疲勞設計。

YANG Xiang-ning (1991-), Male, Master, Engineer, Research focus: aircraft fatigue design.

楊翔寧, 樊偉杰, 張勇, 等. 模擬海洋大氣環境下7B04鋁合金板–TC16鈦合金鉚釘搭接件電偶腐蝕研究[J]. 表面技術, 2022, 51(5): 223-233.

YANG Xiang-ning, FAN Wei-jie, ZHANG Yong, et al. Galvanic Corrosion of 7B04 Aluminium Alloy Plate-TC16 Titanium Alloy Rivet Lap Joint in Simulated Marine Atmospheric Environment[J]. Surface Technology, 2022, 51(5): 223-233.

責任編輯：蔣紅晨