新型铝合金的腐蚀行为及表面改性的影响

发布时间：2018-11-15 16:50

【摘要】：为满足航空工业发展的需求,近年来我国研发了一批新型铝合金,其中包括疲劳性能优异的2E12铝合金,高强高韧的7475铝合金,以及综合性能良好且淬火敏感性低的7A85铝合金等。然而,这些铝合金在使用过程中难免遭受各类局部腐蚀和应力作用下的腐蚀破坏,影响飞机的安全性、可靠性及服役寿命,目前对这些新材料腐蚀行为、机理的认识尚不够清晰,有效的腐蚀控制方法也还不够明了,因此,开展这些新型铝合金腐蚀行为与表面改性技术的研究十分重要。喷丸强化(SP)是提高铝合金常规疲劳抗力的重要手段,但是有关SP对铝合金局部腐蚀和应力作用下的腐蚀行为影响的研究较少。微弧氧化(MAO)技术一般认为比传统阳极氧化技术有明显优势,然而有关MAO处理对铝合金局部腐蚀,尤其是对铝合金腐蚀疲劳行为的研究则较少见报道,对内在作用机制的认识也不够清楚。为此,本文以上述三种新型铝合金为对象,以揭示新型铝合金的腐蚀机理和提高其在腐蚀环境下的服役性能为目标,开展新型铝合金的晶间腐蚀、剥离腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳行为的研究,探讨喷丸强化、微弧氧化及其复合处理对新型铝合金腐蚀行为的影响规律和作用机制,取得的主要结果如下:(1)研究发现2E12-T3和7A85-T7452铝合金都对晶间腐蚀十分敏感,且2E12-T3合金晶间腐蚀敏感性更高,同时还具有很高的剥蚀敏感性,但7A85铝合金的剥蚀敏感性较低。2E12铝合金晶间腐蚀机理是晶界析出连续分布的阴极性θ相(CuAl_2),加速周围贫铜区的溶解所致;7A85铝合金晶间腐蚀机理是晶界析出的阳极性η相(MgZn_2)与无沉淀析出带(PFZ)及晶粒构成微电池,导致晶界选择性腐蚀。2E12铝合金薄板织构现象突出,强度较低,且晶间腐蚀敏感性高,故剥蚀敏感性也很高。锻造成型的7A85铝合金厚板织构现象较轻,强度较高,晶间腐蚀敏感性低于2E12铝合金,故剥蚀敏感性较低。由于2E12铝合金晶间腐蚀敏感性高,因而应力腐蚀敏感性亦高,其应力腐蚀开裂机理为阳极溶解主导。(2)在3%NaCl+0.5%H_2O_2溶液中预腐蚀导致7475-T761铝合金力学性能的退化,预腐蚀对塑性指标的影响比对强度指标的影响更为显著。电化学腐蚀溶解和氢脆对7475铝合金力学性能的退化均具有贡献,点蚀坑的发展是主导因素。对7475铝合金施加75%屈服强度拉应力进行预腐蚀试验,力学与化学效应耦合既促进了电化学腐蚀过程和点蚀坑的发展,同时也有助于氢脆破坏,因而加速了7475铝合金力学性能的退化过程。(3)7A85铝合金在最大交变应力大于60%屈服强度条件下对3.5%NaCl水溶液的腐蚀疲劳(CF)敏感性低,原因归于铝合金与腐蚀介质接触时间短,腐蚀因素不足以促进疲劳裂纹的萌生。然而,当最大交变应力低至38%屈服强度时,7A85铝合金具有较高的CF敏感性,原因是其对晶间腐蚀和氢脆敏感,且有交变载荷的协同作用。CF机理是交变载荷协同晶间腐蚀促进疲劳裂纹萌生,交变载荷协同氢脆促进疲劳裂纹扩展。(4)合适强度和覆盖率的喷丸强化处理能够明显降低2E12铝合金的晶间腐蚀、剥蚀和应力腐蚀敏感性,此归于喷丸强化引入的表面残余压应力和造成的组织细化的有利因素起主导作用;然而,过高强度或覆盖率的喷丸处理则会破坏2E12铝合金的表面完整性,粗糙度增大和表面损伤等不利因素的作用占支配地位,此时2E12铝合金的晶间腐蚀、剥蚀和应力腐蚀反而会被加速。(5)喷丸强化处理既能够明显改善7A85铝合金的抗晶间腐蚀性能,同时也能够提高7A85铝合金的抗NaCl水溶液腐蚀疲劳性能,改善抗CF性能的效果与喷丸强度之间呈现出非单调变化规律。原因是在合适喷丸强度条件下喷丸引入的表面残余压应力有利因素对控制CF起主导作用,而喷丸造成的表面粗糙度增大和表面损伤等不利因素处于次要地位。(6)MAO处理使7A85铝合金在中性盐雾和3.5%NaCl水溶液中的耐蚀性大幅度提高,然而却不能保护7A85铝合金在酸性NaCl水溶液中免遭腐蚀。经Ce(NO3)3、K2Cr2O7和SiO_2溶胶-凝胶分别封闭处理后,MAO膜的耐酸性NaCl水溶液腐蚀性能均得到改善,改善效果排序为SiO_2溶胶-凝胶K_2Cr_2O_7Ce(NO_3)_3,其中SiO_2溶胶-凝胶封闭处理能基本根除腐蚀,原因归于该封闭层致密、平整、结合强度高,有良好的物理隔离作用。(7)MAO处理导致7A85铝合金在3.5%NaCl水溶液中的CF抗力降低,原因归于:MAO膜层韧性低、存在微孔及裂纹缺陷,膜基界面协调变形能力差;交变载荷引发裂纹贯穿MAO膜层,在铝合金局部表面形成闭塞电池和大阴极(MAO膜层)-小阳极(暴露的铝合金基材)腐蚀电偶,与交变载荷协同作用促进CF裂纹萌生和扩展。7A85铝合金SP后进行MAO处理(SP+MAO),其CF寿命高于7A85铝合金基材,原因归于SP在铝合金表面引入数值较大、分布较深的残余压应力,同时造成铝合金表层组织细化,有效抑制了基材CF裂纹萌生和早期扩展。对喷丸处理后的7A85铝合金进行机械抛光,而后进行MAO处理,能使CF寿命高于SP+MAO状态,原因归于抛光处理减轻了丸坑和MAO膜层局部向内过度生长叠加造成的等效缺口效应。(8)丙烯酸阳极电泳漆封闭处理能够显著提高MAO处理的7A85铝合金的CF抗力,较MAO处理试样CF寿命提高254%,并超过7A85铝合金基材CF寿命的2倍,原因归于:丙烯酸阳极电泳漆有强烈吸附MAO膜层微孔和微裂纹缺陷的能力,同时自身良好的韧性提高了MAO膜层的表观韧性。然而,SiO_2溶胶-凝胶封闭处理却大幅度降低了MAO处理7A85铝合金的CF抗力,此归于凝胶层固有韧性较低。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG178

【参考文献】