LY12铝合金经固溶和自然时效处理后,具有较高的强度,常作为飞机结构材料,广泛用于航空领域[1]。当飞机在高温、高湿和高盐雾的东南沿海地区服役时,机身蒙皮经常出现表面漆层开裂及铝合金结构件氧化膜破坏等,进而发生腐蚀,在飞机振动和冲击作用下,腐蚀会加速裂纹的形成,从而降低铝合金结构的剩余强度和使用寿命。在航空维修中需对铝合金的腐蚀损伤进行检查与修理,保证飞机的安全服役。因此,研究铝合金的腐蚀失效行为对铝合金的安全维护使用具有非常重要的指导意义。

目前,对于铝合金的腐蚀疲劳寿命研究已有很多报道。魏小琴等[2]开展了2A12铝合金预腐蚀后的腐蚀-疲劳协同试验,结果发现2A12铝合金经酸性盐雾预腐蚀后,形成了明显的腐蚀坑,腐蚀坑底部由于应力集中成为裂纹源,在腐蚀-疲劳耦合作用下裂纹快速萌生并扩展,铝合金很快发生疲劳断裂。王付胜等[3]对2024铝合金分别进行了预腐蚀疲劳和原位腐蚀疲劳试验,结果表明在中性盐雾腐蚀环境中,预腐蚀和原位腐蚀后试样的疲劳寿命分别为无腐蚀条件下的92%和42%。王冠等[4]考察了EXCO溶液预腐蚀对2024铝合金力学性能的影响,结果发现腐蚀1 h后,蚀坑导致的应力集中使试样的硬度、抗拉强度和断后伸长率迅速下降,蚀坑萌生的裂纹源诱发抗拉强度下降了3.3%,疲劳寿命显著下降69%。SANKARAN等[5]采用循环盐雾法对7075-T6铝合金进行预腐蚀试验,发现点蚀会使疲劳寿命降低为原来的1/6～1/8。

综上所述,腐蚀对铝合金的静载强度以及疲劳寿命具有重要影响,且以上研究主要针对无损伤状态的铝合金,但航空器服役后,表面已经发生腐蚀,对于这种含损伤铝合金的预腐蚀疲劳研究较为匮乏。因此,笔者以LY12航空铝合金为研究对象,预制了通孔和腐蚀损伤试件,研究了该试件再次经历盐雾腐蚀后的拉伸性能与疲劳寿命,以期为飞机铝合金构件的维护与修理提供参考,在保证飞机安全飞行的同时进行经济维修。

1. 试验

1.1 试验材料

以1.5 mm厚的LY12CZ铝合金薄板为试验材料（购自西安成峰物资贸易有限公司）,合金化学成分见表1。拉伸试样与疲劳试件分别按照GB/T 228—2002《金属材料　室温拉伸试验方法》和GB/T 20120.1—2006《金属和合金的腐蚀　腐蚀疲劳试验　第1部分：循环失效试验》标准设计加工,沿材料轧制方向取样,试样尺寸如图1所示,试样上黑色区域为腐蚀区域。试样于50～70 ℃,质量浓度为30 g/L NaOH溶液中浸泡20～30 min,去除包铝层。

图 1 拉伸试样和疲劳试样的尺寸示意

Figure 1. Schematic diagram of size of tensile specimen (a) and fatigue specimen (b)

1.2 试验方法

设置三组LY12铝合金试样,对试样分别进行室温浸泡腐蚀、循环盐雾及先室温浸泡再循环盐雾试验。通过在试样上打孔和室温浸泡试验预制构件在服役过程中已形成的穿蚀和腐蚀损伤,通过盐雾腐蚀试验模拟飞机落地后构件再次经历的地面腐蚀。

1.2.1 预损伤试验

在部分试样中心制备直径分别为0.5 mm与1.0 mm的通孔,预制服役后铝合金表面不同尺寸的穿蚀损伤。拉伸试样与疲劳试样除中间26 mm×26 mm、14 mm×8 mm（如图1所示的涂色区域）外其余部位均被保护,边缘用可剥涂料进行封边；然后,将部分试样置于室温下pH为4.0±0.2的5%（质量分数）NaCl溶液中浸泡120 h预制腐蚀损伤,溶液pH每隔24 h调整一次。

1.2.2 再腐蚀试验

按照GJB 150.11A《军用装备实验室环境试验方法第11部分：盐雾试验》对部分试样的中间区域进行48 h及96 h循环盐雾试验,试验溶液为5%（质量分数,下同）NaCl溶液,pH为6.5～7.2,试验温度为（35±2）℃,试验溶液在80 cm2试样上的沉降率为1～3 mL/h。

1.3 测试与表征

不同处理后的拉伸试验组别及试样编号如表2所示。拉伸测试：采用Instron 5900系列电子万能试验机对试样进行室温拉伸试验,拉伸速率为1 mm/min,拉伸性能取3组稳定试验的平均值。采用Instron 8802疲劳试验机对试样进行单轴疲劳试验,应力比为0.1,加载频率为10 Hz,测试结果均取3组稳定试验的平均值。

疲劳试验：按照HB 5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》,采用QBG-100型高频疲劳试验机对试样进行疲劳试验,疲劳加载应力为150,200,250 MPa,加载频率为50 Hz,加载应力比为—1。

采用Apreo 2C HiVac型扫描电镜（SEM）观察腐蚀后铝合金表面的微观形貌及断口形貌,采用能谱仪（EDS）分析铝合金试样表面腐蚀产物的化学成分。

2. 结果与讨论

2.1 LY12铝合金的微观腐蚀形貌

如图2所示：经室温浸泡腐蚀120 h后,试样原始表面已经完全被腐蚀,表面布满了腐蚀坑,腐蚀坑大小不一,形状基本为圆形,小的点蚀坑连接成片；试样表面腐蚀产物较少,可能是因为溶液pH较低,疏松的腐蚀产物溶解于溶液中；在循环盐雾腐蚀48 h后,试样表面也被腐蚀坑完全覆盖,但腐蚀坑尺寸较浸泡120 h的小,表面有少量颗粒状腐蚀产物；经过96 h盐雾腐蚀后,腐蚀坑略微增大,表面颗粒状腐蚀产物增多；经120 h浸泡腐蚀+盐雾腐蚀后,随着盐雾腐蚀时间的延长,腐蚀坑的棱边被溶解,腐蚀坑的形貌逐渐不明显,但表面局部附着了较大的腐蚀产物。

图 2 LY12铝合金试样经不同方式腐蚀后的表面形貌

Figure 2. Surface morphology of LY12 aluminum alloy after corrosion in different ways: (a) immersion corrosion for 120 h; (b) salt spray corrosion for 48 h; (c) salt spray corrosionfor 96 h; (d) immersion corrosion for 120 h+salt spray corrosion for 48 h；(e) immersion corrosion for 120 h+salt spray corrosion for 96 h

如图3（a）所示,浸泡腐蚀120 h的试样在拉伸试验后,表面出现了龟壳状裂纹,这是晶间腐蚀的典型特征[6-7]。因为铝基体与晶界处Al-Cu或Al-Cu-Mg的第二相粒子间存在电位差,晶界处铝基体作为阳极发生溶解反应,导致了沿晶腐蚀,腐蚀速率增大。如图3（b）所示,盐雾腐蚀48 h的试样在拉伸试验后,表面出现了垂直于拉力方向的裂纹,裂纹较小,其延伸距离较短。如图3（c）所示,盐雾腐蚀96 h的试样在拉伸试验后,表面覆盖的腐蚀产物进一步增多,且表面出现了更多、更长的垂直于拉力方向的裂纹,裂纹向铝合金基体纵深发展。如图3（d）所示,浸泡腐蚀120 h+盐雾腐蚀48 h的试样在拉伸试验后,表面腐蚀产物破裂,形成了互相平行且连贯的裂纹,裂纹间距约为2 μm,表面腐蚀坑形貌不明显,且分布有颗粒状腐蚀产物。如图3（e）所示,浸泡腐蚀120 h+盐雾腐蚀96 h的试样经过拉伸后,表面局部腐蚀产物出现了脱落,可能是因为随着腐蚀时间的延长,腐蚀产物逐渐疏松,在拉力作用下出现剥落,试样表面点蚀颗粒增厚、增大,点状产物在局部发生团聚,形成了表层疏松的腐蚀产物鼓包。图3（d）与（e）中未观察到腐蚀坑形貌,这与图2（d）和（e）形貌特点相同,原因可能是一方面在腐蚀介质的持续作用下,高出腐蚀坑的边棱被溶解,使腐蚀表面更为平整；另一方面在拉伸过程中,拉力致使外层疏松的腐蚀产物趋于平展。

图 3 不同方式腐蚀的LY12铝合金试样经拉伸试验后表面腐蚀产物的SEM形貌

Figure 3. SEM morphology of corrosion products on surface of LY12 aluminum alloy samples corroded in different ways after tensile test: (a) immersion corrosion for 120 h; (b) salt spray corrosion for 48 h; (c) salt spray corrosionfor 96 h; (d) immersion corrosion for 120 h+salt spray corrosion for 48 h; (e) immersion corrosion for 120 h+salt spray corrosion for 96 h

如表3所示,LY12铝合金试样在NaCl介质中的腐蚀产物为Al2O3,且腐蚀产物中始终存在Cl元素,Cl-因半径小且具有非常强的穿透能力,容易被吸附在铝合金表面氧化膜破损、不均匀等活性位置[6],参与腐蚀反应,进一步加速铝合金的腐蚀。