金屬知識詳解,航空材料耐蝕性及腐蝕環(huán)境分析
發(fā)布時間:2022-01-19點擊:1890
飛機材料一旦出現(xiàn)腐蝕問題,不僅會對飛機本身性能的發(fā)揮造成阻礙,嚴重時甚至?xí)θ嗣竦纳约柏敭a(chǎn)安全造成巨大的損失。腐蝕問題是材料與環(huán)境發(fā)生作用的表面現(xiàn)象,電化學(xué)腐蝕發(fā)生在固體材料與電解質(zhì)溶液中的固液界面,化學(xué)腐蝕發(fā)生在固體材料與周圍氣體環(huán)境的固氣界面。因此系統(tǒng)***地分析一個腐蝕問題,一方面要具體分析材料的本身特性,即內(nèi)在各個因素;另一方面要***分析周圍的環(huán)境,以及環(huán)境中的介質(zhì)及其存在的狀態(tài),即腐蝕的外在因素。
1.鋁合金的耐蝕性能
純鋁的化學(xué)性質(zhì)雖然很活潑,但由于它在空氣中易與氧結(jié)合,在表面形成一層致密、穩(wěn)定的氧化鋁薄膜(鈍化膜),可保護內(nèi)層金屬不再繼續(xù)氧化,因此純鋁在大氣中具有很好的耐蝕性能。但退火態(tài)純鋁的抗拉強度相當(dāng)?shù)?,只?5 MPa,因此其使用范圍僅局限于飛機結(jié)構(gòu)中受力不大的非結(jié)構(gòu)件。飛機結(jié)構(gòu)上使用的鋁合金大致可以分為兩種,即可熱處理強化的鋁合金和不可熱處理強化的鋁合金。
不可熱處理強化的鋁合金
(1)Al-Mn系合金(3000系列)
常用合金為3A21鋁合金,合金中錳為主要合金元素,它具有較高的強度、良好的塑性和工藝性能。3A21合金在室溫下的組織為a固溶體和在晶界上形成的(α+Al6Mn)共晶體。由于α固溶體與Al, Mn相的電極電位幾乎相等,因此合金的耐蝕性較好。該類合金的缺點是在冷變形硬化狀態(tài)下不能用在溫度高于100℃的場合,原因是在該條件下,其對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)的敏感性較高。
(2)Al-Mg系合金(5000系列)
由于主要合金元素鎂的密度比鋁還小,加上其良好的焊接性能和抗震性能,所以這類合金在航空工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,常用的有5A02、5A03、5A06等鋁合金。該類合金的強度一般高于3A21鋁錳合金的強度。在實際使用中,該材料呈單相固溶體組織,因此具有良好的耐蝕性能。其在大氣、海水中的耐蝕性能優(yōu)于3A21合金,與純鋁相當(dāng);在酸性和堿性介質(zhì)中,其耐蝕性稍遜于3A21合金。
該系合金的含鎂量愈高,強度也愈高。但其含鎂量不宜過高,應(yīng)控制在8%(質(zhì)量分數(shù))以內(nèi)。原因是當(dāng)含鎂量高于8%以后,如果對其進行退火處理,會在晶界上連續(xù)析出Mg5Al8相,導(dǎo)致其耐蝕(晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕)性能下降。
可熱處理強化的鋁合金
這類鋁合金可以通過熱處理來產(chǎn)生沉淀強化的效果,其強度較高,又稱為硬鋁合金,是航空上***為重要的結(jié)構(gòu)件材料之一。
總體上看,鋁合金的強度隨溫度升高而降低,當(dāng)飛機速度較高時,氣動加熱會影響鋁合金強度。鋁合金化后,其耐腐蝕性能減弱,常見的腐蝕形態(tài)有點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕和應(yīng)力腐蝕等。
點蝕是鋁合金***常見的腐蝕形態(tài)之一,硬鋁合金等耐點蝕能力較差。鋁合金易產(chǎn)生縫隙腐蝕,因為縫隙內(nèi)易積存水分和污物,使涂層和包鋁層發(fā)生水化作用,降低其保護作用。
Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg等合金產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向較大。晶間腐蝕與 熱 處理工藝有關(guān),采用自然時效腐蝕傾向較低,人工時效腐蝕傾向則較高,而過時效腐蝕傾向又降低。Al-Cu-Mg系硬鋁合金中的T6熱處理狀態(tài)比T3熱處理狀態(tài)具有更大的晶間腐蝕敏感性,因此除在高溫下工作的構(gòu)件以外,這類合金一般均采用自然時效處理。
在飛機結(jié)構(gòu)中,Al-Cu-Mg合金產(chǎn)生剝蝕的情況***多,Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg合金也有發(fā)生,但在形變Al-Si系中未見發(fā)生。
Al-Cu、Al-Cu-Mg硬鋁合金,特別是Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu等超硬鋁合金容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。
(1)Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系合金(2000系列)
Al-Cu-Mg系合金是可熱處理強化鋁合金中***重要的合金系列之一,飛機結(jié)構(gòu)中使用***為廣泛的該類合金為2024鋁合金,這類合金的主要強化相為S相(CuMgAl2),其次為θ相(CuAl2),通常在T3狀態(tài)下使用,具有斷裂韌性高、抗疲勞裂紋擴展能力強的特點。不過此狀態(tài)下的抗蝕(晶間腐蝕)性能不夠好,薄板一般包鋁后使用,也可配合陽極化處理、阿洛丁化學(xué)處理進一步提高其耐蝕性能。2000系列中目前***新、性能***好的合金是2524鋁合金,其韌性和抗疲勞性能均較2024鋁合金有重大改進,已成功應(yīng)用于B777客機。
(2)Al-Zn-Mg-Cu系合金(7000系列)
Al-Zn-Mg-Cu系合金中***重要的是7075鋁合金,在T6狀態(tài)下其強度***高,但斷裂韌性***低,耐蝕性能(尤其是抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能)較差。為了增強其耐蝕性能,需對其進行過時效處理,常見的有T73處理,即首先對鋁合金進行固溶處理,然后進行雙級時效處理(在較低溫度下加熱保溫一段時間后,再在較高溫度下加熱和保溫一段時間)。經(jīng)此處理以后,雖然材料的抗拉強度下降大約15%,但是材料的耐應(yīng)力腐蝕性能和晶間腐蝕抗力卻大大提高。7055是目前該系合金中合金化程度***高、強度也***高的鋁合金,近期研究成功的T77處理工藝,使該合金在高強度下仍能保持較高的斷裂韌性和良好的抗應(yīng)力腐蝕性能,該種合金已成功應(yīng)用于B777客機的主體結(jié)構(gòu)。需要說明的是,在進行雙級時效處理之前,首先應(yīng)對固溶處理(淬火)的工藝進行嚴格控制,否則將嚴重影響材料的抗晶間腐蝕性能。
現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)極大地依賴于鋁合金,它們還用于飛機骨架、蒙皮及受力件。在現(xiàn)代亞聲速民用客機上,鋁合金材料仍然是飛機構(gòu)件的支柱材料,并且在不斷推出更新的航空鋁鋰合金等。因此,鋁合金在航空領(lǐng)域的重要作用仍會持續(xù)很多年。
空客公司在A380客機大部分結(jié)構(gòu)零件采用了新型且先進的金屬材料,鋁合金占的比例***大(占機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的61%),尤其是在A380機翼部位(機翼的80%以上是鋁合金材料)。為了實現(xiàn)性能改進,以提高強度和損傷容限,增強穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力,開發(fā)出了創(chuàng)新性的鋁合金材料和工藝技術(shù)。A380-800飛機在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括:
①在機身壁板上引用了很寬的鈑金材料,減少了連接件,從而減輕了質(zhì)量;
②在主地板橫梁上采用了先進的鋁鋰合金擠壓件,其在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強塑料相媲美。
2014年投入使用的A350客機也采用了***新的鋁鋰合金,不僅由于材料密度降低而減輕了機體質(zhì)量,同時還可以采用與現(xiàn)有的鋁合金零件相同的技術(shù)和方法對新材料的零部件進行修理。
鈦合金的耐蝕性能
鈦不但資源豐富,而且具有密度小、比強度高、耐熱性高及優(yōu)異的耐蝕性,此外,鈦還具有很高的塑性和優(yōu)良的冷熱加工性能,從而使其在現(xiàn)代工業(yè)中占有極其重要的地位,在航空、化工、導(dǎo)彈、航天及艦船等方面,鈦及其合金得到廣泛的應(yīng)用。
鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用廣泛(見表1),鈦合金在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用主要基于以下一個或幾個理由:
(1)***的抗腐蝕性,在腐蝕過程中不會產(chǎn)生點蝕。
(2)高的比強度。
(3)高的使用溫度。
(4)減輕質(zhì)量,密度大約比鋼小40%。
(5)減輕空間約束問題。
(6)和其他材料的兼容性。
純鈦
鈦有較高的強度(退火后,工業(yè)純鈦的抗拉強度σb=550~700MPa),約為鋁的6倍,鈦同時兼有鋼(強度高)和鋁(質(zhì)輕)的優(yōu)點,因此鈦的比強度在結(jié)構(gòu)材料中是很高的。鈦的線膨脹系數(shù)較小,在高溫條件下或熱加工過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力小;導(dǎo)熱性差,只有鐵的1/5;摩擦因數(shù)大(μ=0.42),因此切削、磨削加工困難;鈦的彈性模量較低,屈服強度高,因此鈦及其合金冷變形加工時的回彈性大,不易成形和校直;純凈的鈦有良好的可塑性,它的韌性超過純鐵的2倍。
工業(yè)純鈦按其雜質(zhì)含量不同,可分為TA1,TA2,TA3三個牌號。牌號順序數(shù)字增大,雜質(zhì)含量增加,鈦的強度增加,塑性下降。
鈦合金
為了提高強度,可在鈦中加入合金元素。合金元素融入α-Ti中形成α固溶體,融入β-Ti中形成β固溶體。鋁、碳、氮、氧和硼等元素使α與β同素異晶轉(zhuǎn)變溫度升高,稱為α穩(wěn)定化元素;而鐵、鉬、鎂、鉻、錳和釩等元素使同素異晶轉(zhuǎn)變溫度降低,稱為β穩(wěn)定化元素;錫和鋯等元素對轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯,稱為中性元素。
根據(jù)使用狀態(tài)的組織,鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金和(α+β)鈦合金三類。(α+β)鈦合金兼有α和β鈦合金兩者的優(yōu)點,耐熱性和塑性都較好,并且可進行熱處理強化,這類合金的生產(chǎn)工藝也比較簡單。因此,(α+β)鈦合金的應(yīng)用比較廣泛,其中以TC4(Ti-6Al-4V)應(yīng)用***為廣泛。
鈦合金氧化膜的穩(wěn)定性遠高于鋁和不銹鋼氧化膜的穩(wěn)定性。保護膜因機械操作遭到破壞時,能很快恢復(fù)。所以,鈦及鈦合金在很多高活性介質(zhì)中都具有較高的耐腐蝕能力。
高強度優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼在潮濕工業(yè)大氣、海洋大氣等環(huán)境中,抗腐蝕性能比碳鋼有所提高。但是,在沒有保護措施的情況下,它們?nèi)跃哂刑间摰母鞣N腐蝕傾向。
一般把在空氣和中性介質(zhì)中能夠耐腐蝕的鋼稱為不銹鋼,而把能在各種侵蝕性較強的介質(zhì)中工作的耐蝕鋼稱為耐酸鋼。通常把不銹鋼和耐酸鋼統(tǒng)稱為不銹耐酸鋼,簡稱為不銹鋼。
不銹鋼的“不銹”只是相對的,在一定的條件下不銹鋼也會腐蝕,因此沒有絕對“不銹”的不銹鋼。按照內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的不同,可以把不銹鋼分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼四種。
馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼是一類含碳量較高的鉻不銹鋼,其含碳量在0.1%~0.9%范圍,含鉻量在12%~18%范圍。這類鋼的特點是含碳量比其他種類不銹鋼要高,除添加合金元素鉻外,有時還添加少量的鉬或鎳,如1Cr17Ni2,9Cr18MoV等。馬氏體不銹鋼比鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的耐蝕性都差,而且含碳量越高,其耐蝕性越差。
馬氏體不銹鋼在大氣、海水和氧化性介質(zhì)中耐蝕性較好,但在如硫酸、鹽酸等非氧化性酸中不耐蝕。
馬氏體不銹鋼抗局部腐蝕能力較低,如對點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕較敏感,對氫脆敏感性大,因此在有可能產(chǎn)生局部腐蝕的環(huán)境中,應(yīng)盡量避免使用。
鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素(質(zhì)量分數(shù)在12%~18%范圍),具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵基合金,如Cr13型,Cr17型和Cr25~28型等類型,常加入Ni、Mo、Cu、Ti、Nb等合金元素來提高其耐蝕性。
鐵素體不銹鋼***突出的特點是在含有Cl-離子的水溶液中具有優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕能力,這比鎳鉻奧氏體不銹鋼要好得多。普通鐵素體不銹鋼抗點蝕、縫隙腐蝕的能力較差,可通過提高鉻含量來改善其性能,比如當(dāng)Cr含量達25%或以上時,其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能會得到改善。另外,也可通過在普通鐵素體不銹鋼中加入合金元素Mo來提高其抗點蝕、縫隙腐蝕的性能。
奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼的含鉻量一般在18%以上,含鎳量一般在8%以上,且室溫具有單相奧氏體組織。奧氏體不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐蝕性能,而且也具有良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能,是不銹鋼中***重要、用途***廣泛的一類不銹鋼。18-8類型不銹鋼(即含鉻17%~19%,含鎳7%~9%)為常見的奧氏體不銹鋼。
點蝕和縫隙腐蝕是奧氏體不銹鋼在氯化物環(huán)境中常見的局部腐蝕形態(tài),可通過添加合金元素Cr,Mo來提高其耐蝕性能。隨著含Cr量的不斷提高,材料表面鈍化膜的穩(wěn)定性也不斷增強。Mo的作用有多種解釋,通常認為加入Mo后便于形成可溶性鉬酸鹽,吸附在金屬表面的活性位置上,從而抑制了金屬的溶解。奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)非常敏感,可通過添加合金元素Ni來降低其敏感性。
奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的室溫組織中同時含有奧氏體相與鐵素體相。它既有奧氏體不銹鋼所具備的優(yōu)良的韌性與焊接性能,同時也具有鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的性能。與純奧氏體不銹鋼相比,奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的晶間腐蝕敏感性也較小,即具有很好的抗晶間腐蝕性能。在較低的應(yīng)力水平下,奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼顯示出比奧氏體不銹鋼更為優(yōu)異的耐SCC性能,但是隨著應(yīng)力的不斷提高,其耐SCC性能逐漸下降,甚至都不如奧氏體不銹鋼。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼具有較高的抗點蝕性能。
總的來說,不銹鋼耐蝕性能較高。但是不銹鋼在含有氯化物的介質(zhì)中,由于氯離子的作用,可在不銹鋼鈍化膜的薄弱區(qū)、有缺陷的部位以及有硫化物夾雜或晶界碳化物的地方產(chǎn)生點蝕。在不銹鋼構(gòu)件與其他構(gòu)件相連的微小縫隙處,易產(chǎn)生縫隙腐蝕。
復(fù)合材料的耐蝕性能
復(fù)合材料腐蝕主要包括樹脂基體腐蝕、增強材料腐蝕、界面腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。非金屬材料,如塑料、橡膠等,不能導(dǎo)電,一般來說耐蝕性能都高于金屬材料,所以非金屬也被廣泛地用作保護層,以提高金屬材料的耐蝕性。在飛機材料方面,隨著民用飛機的安全性、經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性不斷提高,復(fù)合材料被大量、廣泛使用。如波音B737、空客A320等機型已經(jīng)使用了以環(huán)氧樹脂為基體,碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為增強材料的復(fù)合材料。
飛機復(fù)合材料采用的主要纖維品種有碳纖維、硼纖維等,主要基體材料是環(huán)氧樹脂。飛機中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的形式大致有以下幾種:附加于金屬結(jié)構(gòu)上的增強鋪層,纏繞管件組成的框架,復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),加強或不加強的蒙皮結(jié)構(gòu),纏繞旋轉(zhuǎn)殼體或壓力容器。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)須滿足飛行溫度、濕度、紫外線等介質(zhì)的大氣腐蝕環(huán)境的要求。
對于復(fù)合材料的構(gòu)件及機翼前緣、雷達罩等易受雨蝕的部位,飛機在雨中飛行時其迎面受到雨滴的直接撞擊,使復(fù)合材料構(gòu)件表面脫黏、破裂且受雨水浸蝕,形成蝕坑甚至使復(fù)合材料產(chǎn)生剝離。對于這些部位應(yīng)采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。
對有導(dǎo)電要求(如防雷擊)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)采用搭接線,不可通過復(fù)合材料與金屬材料(如鋁合金)的直接接觸或通過緊固件傳導(dǎo)電流。
飛機復(fù)合材料的防護要求如下:
(1)材料應(yīng)滿足飛機結(jié)構(gòu)溫度,濕度,紫外線和大氣等腐蝕環(huán)境要求;
(2)應(yīng)優(yōu)先選與之電位相當(dāng)?shù)拟伜辖鸬龋?/span>
(3)匹配時,應(yīng)在結(jié)合界面設(shè)置不吸濕、不腐蝕和不導(dǎo)電的隔離層;
(4)在易受雨蝕的部位,應(yīng)采用有效的防雨蝕涂料進行表面防護。
來源:材易通