高强铝合金盐雾腐蚀研究开题报告

A”栄秦皇岛分校NorthEasternUniversityAtQinHuangDao毕业设计（论文）开题报告题目7xxx铝合金的盐雾腐蚀研究系 别 材料科学与工程 专 业 材料科学与工程班级 8090226姓名 王冬冬指导教师 权力伟2011年6月21日一、选题的背景及研究的目的和意义铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。 随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金作为一种有色金属结构材料在航空、航天领域发挥着越来越重要的作用。各种飞机都以铝合金作为主要结构材料，占飞机结构重量的60%〜80臥1）。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金，其中高强度铝合金的应用尤为重要。高强度铝合金中7xxx系列铝合金有最高强度，代表型号7B04,主要含有锌元素。AI-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金是20世纪60年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类咼性能铝合金，具有轻质、咼强、咼韧和低成本等一系列优点，广泛应用于航空、交通运输、舰艇和兵器等领域，具有极高的应用价值，受到世界各国的高度重视。铝镁锌铜合金是可热处理合金，属于超硬铝合金，有良好的耐磨性也有良好的焊接性，但耐腐蚀性较差。适当控制合金中锌和镁的比例，可添加铜、猛等元素后，将进一步提高合金强度，改善塑性和耐应力腐蚀性能。其中锌和镁含量的比值及锌、镁、铜含量的总和不同，合金的性能也不同。锌和镁含量的比值增加，合金的热处理效果增大，强度提高，但应力腐蚀敏感性增大。当锌、镁、铜含量的总和大于9%（质量）时，合金的拉伸强度最高。大气腐蚀是指暴露在空气的材料与空气中的水和氧气等发生化学和电化学的作用所引起的腐蚀，它是腐蚀中最普遍的一种（2）°金属的大气腐蚀造成的经济损失尤为严重，据统计全世界在大气中使用的钢材一般超过其生产总量的 60%，腐蚀损失占总损失量的50%以上°我国1995年的统计表明，因腐蚀直接造成的经济损失己高达1500乙人民币，约占国民生产总值的4%【3］。高强铝合金在沿海湿热、高盐分的环境中相当敏感，容易发生点腐蚀，形成腐蚀损伤。腐蚀损伤造成材料疲劳性能下降，严重影响了飞机的疲劳寿命。高强铝合金的大气腐蚀不仅使维护和维修的费用大大增加，而且缩短了飞机的寿命，甚至引起灾难性后果。大气腐蚀暴露试验是一种接近使用环境的较可靠的腐蚀试验方法 ，试验结果也接近真实使用情况⑷。但是，试验周期长，尤其对于设计寿命有几十年的飞机结构件来说，为得到全面的腐蚀使用数据，可能需数年或更长时间。几十年来，工程设计和腐蚀与防护界都在期望由实验室内的短期加速腐蚀试验结果来推测户外长期暴露试验结果，为此提出了许多加速试验方法。例如使用酸性盐雾环境对航空常用高强度铝合金材料进行加速腐蚀试验，并从腐蚀机理、腐蚀产物结构、试样外观表现及腐蚀动力学规律等方面与大气腐蚀试验相比较，证明该加速方法对铝合金腐蚀试验的可靠性。考虑到真实的结构使用环境是复杂多变的 ，如降雨、凝露、光照、大风等多样的天气以及温度、湿度、气压等的变化，真实环境中还会存在电磁环境因素和生物环境因素的影响；所以加速腐蚀试验不可避的有一定的模拟偏差［5】。通过对腐蚀试件的力学性能进行测试，讨论试验条件对试样的力学性能的影响，进而从腐蚀对结构件造成的损伤等效的角度对加速腐蚀进行研究。研究典型高强铝合金试样的腐蚀行为，进而确定点腐蚀损伤对高强铝合金材料疲劳性能的影响，对于老龄飞行器的定寿、延寿和新型飞行器的设计、改进都有较为重要的指导意义 ⑹。二、国内外在该方向的研究现状及分析目前，对于高强铝合金的腐蚀行为研究主要局限于盐雾试验。盐雾腐蚀试验方法可分成两大类：天然环境暴露试验和人工加速模拟盐雾环境试验。天然环境暴露试验是将样品放在某一典型气候区域,在贮存环境下考样品的耐盐雾腐蚀性情况。天然环境暴露试验的周期一般很长 ，需要几年甚至十几年，同时，需要试验人员长期进行检查和记录，所需人力、财力、物力较大。其试验结果也只适用部分地区，在另一些地区则可能不适用。人工加速模拟环境试验是利用具有一定容积空间的试验设备盐雾试验箱，在其容积空间内用人工方法造成盐雾环境，对元器件的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核。它弥补了天然环境暴露试验的不足，通过提高盐雾环境中氯化物的浓度，使腐蚀速度大大提高，得出结果的时间也缩短了很多。人工模拟盐雾环境试验，使样品的耐盐雾腐蚀质量不受自然环境条件的影响因此得到了较快的发展，从单一的氯化钠盐雾试验发展成为多种类型试验⑺。盐雾试验可分为4类：中性盐雾试验，醋酸盐雾试验，铜加速醋酸盐雾试验，交变盐雾试验。中性盐雾试验（NSS）是最早出现的人工模拟盐雾试验，也是目前应用最广的一种试验方法。国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）及工业发达国家和我国的产品标准大都规定中性盐雾试验为产品标准盐雾腐蚀质量项目的试验方法。中性盐雾试验模拟的环境条件相似于沿海地区的大气环境 ，试验可以揭示元器件镀层存在的缺陷，以及不符合质量要求的工艺处理，对同一种镀层采用不同方法处理的质量评价也可以得出较满意的效果。室内加速试验又可分为四类：连续盐雾试验，循环盐雾试验，周期浸润实验，室内综合加速实验。铝合金材料构件在海洋大气环境服役过程中不可避免地会遭受不同程度的腐蚀损伤，主要腐蚀形式有点腐蚀、应力腐蚀等。点腐蚀会造成高强铝合金构件的疲劳性能下降，弓I起断裂等事故的发生。这主要是由于腐蚀损伤加速了表面疲劳源的产生和疲劳裂纹的扩展，而缩短了飞机结构部件的疲劳寿命及其剩余强度。已有很多学者研究了铝合金材料在海洋大气环境中的点腐蚀、应力腐蚀特征和规律，这些为航空等工业应用高强铝合金材料提供了设计依据。在研究铝合金材料的腐蚀中，大量的工作是针对铝合金所处的环境（温度、湿度、介质成分等）与腐蚀规律、铝合金的腐蚀类型及机理等，而铝合金材料的面积因素对点腐蚀的影响规律研究得较少。飞机在长期使用的过程中防护涂层不同程度的脱落、划痕及零件接合部位的磨损都会使铝合金材料产生不同面积的暴露，这会影响铝合金结构件的腐蚀行为。因此研究高强铝合金材料在盐水环境下的暴露面积对点腐蚀行为的影响以及腐蚀规律也是现在研究的方向之一。绝大多数的金属设备（设施）使用到一定程度其性能都会因腐蚀而受到影响，出于安全性、经济性考虑，腐蚀寿命的预测和评估已逐渐成为研究的重点⑻。在铝合金构件的服役过程中，局部腐蚀往往是导致其失效的主要原因，而其中高强铝合金的应力腐蚀开裂（stresscorrosioncracking,SCC）问题尤为突出。60年前，德国齐柏林飞艇的铝合金构件发生了应力腐蚀，甚至美国阿波罗登月舱和巨型土星火箭也出现了类似的应力腐蚀破裂。直到如今研制生产的先进喷气飞机仍然存在这类铝合金的应力腐蚀问题。应力腐蚀的特点是材料构件在断裂破坏前没有明显的预兆 ，故其破坏性和危害性极大。因此，铝合金应力腐蚀开裂一直倍受人们尖注 ，多年来国内外研究者在这方面做了大量的工作，并在铝合金的SCC机理、影响因素及控制手段等方面已取得了较大进展和成果。盐雾对金属材料的腐蚀是以电化学方式进行的 ，主要是导电的盐溶液渗入金属内部发生电化学反应，形成低电位金属-电解质溶液-高电位杂质的微电池系统，发生电子转移，作为阳极的金属出现溶解，形成新的化合物，即腐蚀物。金属保护层和有机材料保护层也一样，当作为电解质的盐溶液渗入内部后，便会形成以金属为电极、金属保护层或有机材料为另一电极的微电池。海水的主要成份是氯化钠 ，大约占77.8%°盐雾腐蚀破坏过程中起主要作用的是氯离子CI-,CI-离子半径很小，只有1.81-IO'10m。它具有很强的穿透能力，容易穿透金属氧化层和防护层进入金属内部，破坏金属的钝态。同时，氯离子具有一定的水合能，容易吸附在金属表面的孔隙、裂缝等部位，取代保护金属的氧化层中的氧，使金属受到破坏。盐溶液的电化学腐蚀过程如下。阳极：金属以水化离子的形式进入溶液，并把当量的电子留在金属中Me++2eMe+++nH20 +.2H2O或Me+nH20MeFH20+2e电子从阳极流到阴极。阴极：留在金属中的剩余电子被氧去极化，氯通过扩散或对流，到达阴极表面，吸收电子而成为氢氧根离子1/202+H2O+2e2OH-溶液中，氯化钠溶液离解，同时生成腐蚀物NaCI柑+C「2Me+++2C「+2OH-WeCI2.Me(OH)2除了氯离子外，盐雾腐蚀机理还受溶解于盐溶液里(实质上是溶解在试样表面的盐液膜)氧的影响。氧能够引起金属表面的去极化过程，加速阳极金属溶解，由于盐雾试验过程中持续喷雾，不断沉降在试样表面上的盐液膜使含氧量始终保持在接近饱和状态。腐蚀产物的形成使渗入金属缺陷里的盐溶液的体积膨胀,因此增强了物的形成使渗入金属缺陷里的盐溶液的体积膨胀,因此增强了金属的内部应力，引起应力腐蚀，导致保护层鼓起。经过近80年的研究,人们对SCC的机理已逐渐明了，但有些理论仍然存在一定争议，比如影响7xxx系铝合金SCC的因素⑼。综合上述的文献分析，大多数实验只是单纯的就某一方面对高强铝合金的大气腐蚀进行研究，因此本实验将从盐雾腐蚀的实验条件，7xxx系高强铝合金的腐蚀行为，及对腐蚀行为进行分析和研究探讨，全面的研究 7xxx系铝合金在大气环境中的盐雾腐蚀。三、 主要研究内容1•盐雾加速试验条件对实验结果的影响2.7xxx系高强铝合金的盐雾腐蚀研究3.7xxx系高强铝合金盐雾条件下的腐蚀行为4.7xxx系高强铝合金盐雾加速腐蚀机理研究四、 实验方案、实验方法及进度安排、预期达到的目标4.1实验方案4.1.1实验过程主要包括试样切割、试样预处理、盐雾加速腐蚀、试样后处理四个部分。（1）切割过程：本实验用材料为7B04和2124两种高强度铝合金板材，表面无包铝层尺寸为120mmx30mmX3mm（若原始材料表面存在包铝层，则需用氢氧化钠溶液腐蚀去除试样表面的包铝层）[10]表一7B04合金的化学成分（质量分数）％

合金兀素杂质ZnMgCuMnCrFeSi5.882.241.680.380.170.090.04表二2124合金的化学成分表（质量分数）％7B04铝合金用线切割机切割制成初级样品，2124铝合金用锯条手工完成制样过程由于本实验设计多组对比试验，因此需要的试样数目较多，所以切割工作量较大。（2）试样的预处理⑴］A热处理预处理7B04的预处理：固溶+淬火+人工时效（18只试样分成9组，每组两只）固溶时间和温度2h4h6h470C485C500C然后将18将每组实验后试样的硬度值填入上表中，比较得到最佳的固溶温度和时间，然后再将18只试样全部按最佳固溶条件处理一遍。接下来按下表进行时效实验同样将固溶处理后的18只试样分成9然后将18时效时间和温度14h16h18h120C130C140C将每组实验后试样的硬度值填入表中，比较得到最佳的时效时间和温度，东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文)开题报告只试样全部按照最佳时效时间处理一遍，这样得到的18只试样全部都是硬度值最大的，将状态的试样作为腐蚀预处理的试样。2124的预处理：固溶+淬火+自然时效最佳固溶处理温度：495C，严格控制温度防止过烧自然时效时间：6天经过上述预处理得到的2124铝合金硬度值最大最符合实验要求。B腐蚀预处理试样分组并标号；清洗试样一用脫脂棉蘸无水乙醇将试片表面擦洗两遍去掉油污，再用无水乙醇漂洗一遍：测量试样的表面积：称量试样的原始重量一用DT-100型精密天平测量试样初始重量，精确至小数点后4位；在加速腐蚀试验前试样应放入干燥器中 24小时以上。(3)盐雾加速腐蚀试验中性连续盐雾试验试验方法阳试验方法采用GJB548B-2005方法1009.2中性盐雾试验的相尖规定， 试验时间为24h,基本技术参数范围：温度30〜50C,氯化钠溶液的浓度0.5%〜5%，盐溶液pH值6.5〜7.2,沉降率(1〜2)/(mlx80cm-2xh-1)°试验分组：选取16只试样，平均分成4组，每组1只；每组均采用4种不同的试验条件。各分组试验条件见表1〜表4：表1温度变化与盐雾试验结果的尖系

温度/C浓度/%PH值沉降率/mlx80cm'2xh_1摆放角度/度3016.5〜7.21.5303516.5〜7.21.5304016.5〜7.21.5305016.5〜7.21.530表2浓度变化与盐雾试验结果的尖系浓度/%温度/CPH值沉降率/mlx80cm'2xh_1摆放角度/度0.5356.5〜7.21.5301356.5〜7.21.5303356.5〜7.21.5305356.5〜7.21.530表3沉降率变化与盐雾试验结果的尖系沉降率/mlx80cm-2xh1浓度/%PH值温度/C摆放角度/度116.5〜7.235301.516.5〜7.235301.716.5〜7.23530216.5〜7.23530表4摆放角度变化与盐雾试验结果的尖系摆放角度/度浓度/%PH值沉降率/mlx80cm-2xh-1温度/c1516.5〜7.21.5352016.5〜7.21.5353016.5〜7.21.5354516.5〜7.21.535中性间歇盐雾试验试验方法经过第①组实验后，得到腐蚀最严重的实验条件即最适合的摆放角度、浓度、温度、沉降率，然后将其作为间歇盐雾试验的唯一实验条件。此实验中选取2xxx系合金的典型代表2124作为对比试验。此次间歇盐雾试验与连续盐雾试验的不同之处在于喷雾方式，即 1h间歇喷雾(喷1h,停1h)［祐］o准备7B04试样和2124试样各16只，各分成九组A〜H，每组两只试样，分别进行不同时间的间歇盐雾腐蚀，分组如下表:腐蚀时间/h2480120240360480600720试样7B047A7B7C7D7E7F7G7H编号21242A2B2C2D2E2F2G2H(4)试样的后处理清洗试样一用去离子水漂洗试样表面，并干燥；留出用于其它分析用途的试样一为电化学分析、物理方法分析留样；照相一记录腐蚀宏观形貌；去腐蚀产物一根据HB5257-83标准进行腐蚀产物的清除；称量去腐蚀产物后的重量一用DT—100型精密天平测量试样试验后重量，精确至小数点后4位。4.2实验方法本实验研究使用的是7B04超高强铝合金，试样在盐浴炉中进行固溶处理，在盐雾腐蚀试验箱中进行腐蚀处理，然后用维氏硬度计测量腐蚀后试样的硬度值，对其经行失重分析，在万能试验机上进行拉伸力学性能测试，在金相显微镜上进行断面显微分析，在扫描电子显微镜上对部分加速腐蚀试验不同时间的试样进行微观形貌的观察与记录，利用X射线衍射仪对腐蚀产物进行成分分析。4.3进度安排及预期达到的目标2012615-2012.7.15查阅文献，完成开题报告，熟悉相尖仪器操作；2012816切割试样，进行热处理实验，得到最符合要求的预处理腐蚀试样；2012.9.16进行腐蚀试验的前期工作，研究腐蚀试验条件对腐蚀结果的影响，得到加速性最好的腐蚀试验条件；2012.11.30在加速性最好的实验条件下进行间歇盐雾试验， 并对比连续盐雾试验讨论二者的模拟性；2012.12.31完成论文初稿；2013.4.30在前期工作的基础上对实验进行进一步的补充；2013.6.1完成毕业论文，准备最终答辩。五、完成课题所需的条件、主要困难及解决办法5.1实验材料及设备7B04铝合金、2124铝合金、试样切割机、盐雾腐蚀试验箱、万能电子拉伸机、盐浴炉、失重分析仪、硬度计、电子显微镜、X炉、失重分析仪、硬度计、电子显微镜、X射线衍射仪、扫描显微镜。5.2主要困难及解决方法(1)本实验设计多组对比试验和分组试验需要试样数目较多因此切割工作量较大,所以要再保证实验准确性的前提下尽量减少每组实验所需试样数目，既较少切割工作量又能节省原材料°(2)对盐浴炉盐液爆炸飞溅的防护措施工件、挂具、新盐必须按工艺规程进行预热。保证预热温度， 保证预热时间，保证将淬火液、切削液、普通水、结晶水彻底除净。严禁易分解的NaN02、NazCCh等混入中温盐NaCI中。在实验室严禁在硝盐槽中用过未经清洗的挂具、炉钩等进入熔盐。在盐炉启动过程中，当炉膛底部的盐熔化到一定程度时，要用专用工具将表面层壳盖砸裂，以成形减压通道。炉面上设置炉罩。万一发生盐液爆炸飞溅，亦可将它控制在一定范围，从而大幅度地减少不必要的人员的伤亡及设备的损坏。参考文献张琦，李荻，丁学谊等，《LC4铝合金晶间腐蚀电化学机理，材料保护》杨德钧，沈卓身，《金属腐蚀学》，北京冶金工业出版社，1999：208-209王光雍，王海江，李兴濂等，《自然环境的腐蚀与防护》，北京化学工业