高強度鋁合金由于其優(yōu)異的機械性能和耐腐蝕性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在海洋大氣環(huán)境中，高強鋁合金的腐蝕損傷受多種環(huán)境因素的影響，包括相對濕度、溫度、濕潤時間、Cl^-沉積速率等，容易發(fā)生腐蝕損傷，如點蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等。腐蝕誘發(fā)的表面缺陷包括點蝕、均勻腐蝕和剝落腐蝕等，影響材料的力學(xué)性能，從而降低高強鋁合金的使用壽命，給飛機帶來安全隱患。

近日，中國海洋大學(xué)崔洪芝教授、崔中雨副教授團隊研究了不同環(huán)境因素對2524-T3鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕機理及其力學(xué)性能的影響，不僅指出了腐蝕形態(tài)與力學(xué)性能退化之間的聯(lián)系，并且進一步量化了腐蝕參數(shù)與力學(xué)性能退化敏感性之間的關(guān)系。相關(guān)論文以題為“Atmospheric corrosion and mechanical property degradation of 2524-T3 aluminum alloy in marine environments”發(fā)表在腐蝕領(lǐng)域頂刊《Corrosion Science》，論文第一作者為田會云。

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https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112398

在這項工作中，研究人員將2524-T3合金在沿海地區(qū)溫帶海洋氣候（青島）、亞熱帶海洋氣候（舟山）、熱帶海洋氣候（西沙）分別進行了為期7天、1個月、3個月、6個月、12個月、18個月、24個月的暴露試驗。對不同暴露時間的試樣進行電化學(xué)和力學(xué)性能測試。

表1 青島、舟山、西沙站點的海洋大氣環(huán)境情況

通過研究不同暴露時間試樣的電化學(xué)行為發(fā)現(xiàn)，部分樣品在短時間暴露后出現(xiàn)了感應(yīng)回路。隨著暴露時間的增加，覆蓋在鋁合金表面的腐蝕產(chǎn)物層EIS響應(yīng)發(fā)生變化，闡明電解質(zhì)/膜/基體界面的演化過程。一般情況下，隨著曝光時間的延長，弧徑先增大后減小，但拐點各不相同。在青島暴露18個月后，合金的弧徑達到最大值，而在西沙暴露1個月后弧徑才達到最大值，說明在西沙形成的腐蝕產(chǎn)物層容易被破壞。此外，兩種表面在EIS響應(yīng)中也表現(xiàn)出不同的行為，揭示了腐蝕過程的差異。

圖1 2524-T3鋁合金在青島(a、b)、舟山(c、d)、西沙(e、f)不同時間暴露后正面(a、c、e)和反面(b、d、f)電化學(xué)阻抗譜

研究團隊發(fā)現(xiàn)合金力學(xué)性能退化主要由嚴重的剝落腐蝕引起。局部腐蝕主要導(dǎo)致材料延伸率和彈性模量下降。點蝕會使材料的有效截面積減小，引起應(yīng)力集中，促進材料力學(xué)性能的退化。一方面，局部腐蝕導(dǎo)致有效截面積的損失，降低了抗拉強度；另一方面，不均勻表面容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低其變形能力和延伸率，造成截面積損失。

圖2 2524-T3鋁合金在西沙不同時段暴露前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)，以及彈性模量、屈服強度、抗拉強度(b)，延伸率和斷面收縮率(c)，退化敏感性(d)的計算結(jié)果

圖3 2524-T3鋁合金在三個站點暴露不同時間下(a)100個腐蝕缺陷的平均深度(D_ave); (b)去除10個最小和10個最大腐蝕缺陷后的平均深度(D'_ave); (c) 10個最大腐蝕缺陷的平均深度(D_max)

在腐蝕初期，腐蝕產(chǎn)物膜的厚度逐漸增大，腐蝕產(chǎn)物膜由不穩(wěn)定相變?yōu)榉€(wěn)定相，具有一定的保護作用；中間腐蝕階段，薄液膜中存在大量Cl^-，破壞腐蝕產(chǎn)物膜。一旦腐蝕產(chǎn)物膜破裂，就會迅速引起腐蝕。點蝕主要發(fā)生在第二相周圍的鋁基體上。氯離子的進一步吸附加速了點蝕的生長，形成了穩(wěn)定的點蝕。一旦點蝕在晶界處優(yōu)先萌生，將演變?yōu)榫чg腐蝕；腐蝕后期，由于腐蝕產(chǎn)物厚度的增加，沉積的大量腐蝕產(chǎn)物表面出現(xiàn)裂紋。腐蝕產(chǎn)物堵塞晶間腐蝕裂紋，最終形成閉塞環(huán)境；剝落腐蝕階段，由于晶間腐蝕裂紋尖端形成大量的腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致較大的晶間楔形力。腐蝕產(chǎn)物體積的增大迫使非腐蝕性基質(zhì)分離，最終導(dǎo)致剝落腐蝕的發(fā)生。

圖4 2524-T3鋁合金在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕演化過程: (a)早期腐蝕階段; (b)中期腐蝕階段; (c)后期腐蝕階段; (d)剝落腐蝕階段

總的來說，作者研究了2524-T3高強度鋁合金在海洋環(huán)境中不同暴露時間和地點的大氣腐蝕和力學(xué)性能退化。2524-T3高強鋁合金在高溫、高濕、長表面潤濕時間（TOW）和高Cl-沉積速率的海洋大氣環(huán)境中腐蝕最為嚴重。作者明確了局部腐蝕參數(shù)與力學(xué)性能退化敏感性之間的關(guān)系，對2524-T3高強鋁合金在不同大氣環(huán)境下的服役壽命預(yù)測具有重要的工程實踐意義。（文：小花兒）