高强度铝合金由于其优异的机械性能和耐腐蚀性能，在航空航天领域得到了广泛的应用。然而，在海洋大气环境中，高强铝合金的腐蚀损伤受多种环境因素的影响，包括相对湿度、温度、湿润时间、Cl-沉积速率等，容易发生腐蚀损伤，如点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀、应力腐蚀开裂等。腐蚀诱发的表面缺陷包括点蚀、均匀腐蚀和剥落腐蚀等，影响材料的力学性能，从而降低高强铝合金的使用寿命，给飞机带来安全隐患。
近日，中国海洋大学崔洪芝教授、崔中雨副教授团队研究了不同环境因素对2524-T3铝合金在海洋大气环境中的腐蚀机理及其力学性能的影响，不仅指出了腐蚀形态与力学性能退化之间的联系，并且进一步量化了腐蚀参数与力学性能退化敏感性之间的关系。相关论文以题为“Atmospheric corrosion and mechanical property degradation of 2524-T3 aluminum alloy in marine environments”发表在腐蚀领域顶刊《Corrosion Science》，论文第一作者为田会云。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112398
在这项工作中，研究人员将2524-T3合金在沿海地区温带海洋气候（青岛）、亚热带海洋气候（舟山）、热带海洋气候（西沙）分别进行了为期7天、1个月、3个月、6个月、12个月、18个月、24个月的暴露试验。对不同暴露时间的试样进行电化学和力学性能测试。
表1 青岛、舟山、西沙站点的海洋大气环境情况
通过研究不同暴露时间试样的电化学行为发现，部分样品在短时间暴露后出现了感应回路。随着暴露时间的增加，覆盖在铝合金表面的腐蚀产物层EIS响应发生变化，阐明电解质/膜/基体界面的演化过程。一般情况下，随着曝光时间的延长，弧径先增大后减小，但拐点各不相同。在青岛暴露18个月后，合金的弧径达到最大值，而在西沙暴露1个月后弧径才达到最大值，说明在西沙形成的腐蚀产物层容易被破坏。此外，两种表面在EIS响应中也表现出不同的行为，揭示了腐蚀过程的差异。
图1 2524-T3铝合金在青岛(a、b)、舟山(c、d)、西沙(e、f)不同时间暴露后正面(a、c、e)和反面(b、d、f)电化学阻抗谱
研究团队发现合金力学性能退化主要由严重的剥落腐蚀引起。局部腐蚀主要导致材料延伸率和弹性模量下降。点蚀会使材料的有效截面积减小，引起应力集中，促进材料力学性能的退化。一方面，局部腐蚀导致有效截面积的损失，降低了抗拉强度；另一方面，不均匀表面容易导致应力集中，降低其变形能力和延伸率，造成截面积损失。
图2 2524-T3铝合金在西沙不同时段暴露前后的应力-应变曲线(a)，以及弹性模量、屈服强度、抗拉强度(b)，延伸率和断面收缩率(c)，退化敏感性(d)的计算结果
图3 2524-T3铝合金在三个站点暴露不同时间下(a)100个腐蚀缺陷的平均深度(Dave); (b)去除10个最小和10个最大腐蚀缺陷后的平均深度(D'ave); (c) 10个最大腐蚀缺陷的平均深度(Dmax)
在腐蚀初期，腐蚀产物膜的厚度逐渐增大，腐蚀产物膜由不稳定相变为稳定相，具有一定的保护作用；中间腐蚀阶段，薄液膜中存在大量Cl-，破坏腐蚀产物膜。一旦腐蚀产物膜破裂，就会迅速引起腐蚀。点蚀主要发生在第二相周围的铝基体上。氯离子的进一步吸附加速了点蚀的生长，形成了稳定的点蚀。一旦点蚀在晶界处优先萌生，将演变为晶间腐蚀；腐蚀后期，由于腐蚀产物厚度的增加，沉积的大量腐蚀产物表面出现裂纹。腐蚀产物堵塞晶间腐蚀裂纹，最终形成闭塞环境；剥落腐蚀阶段，由于晶间腐蚀裂纹尖端形成大量的腐蚀产物，导致较大的晶间楔形力。腐蚀产物体积的增大迫使非腐蚀性基质分离，最终导致剥落腐蚀的发生。
图4 2524-T3铝合金在海洋大气环境中的腐蚀演化过程: (a)早期腐蚀阶段; (b)中期腐蚀阶段; (c)后期腐蚀阶段; (d)剥落腐蚀阶段
总的来说，作者研究了2524-T3高强度铝合金在海洋环境中不同暴露时间和地点的大气腐蚀和力学性能退化。2524-T3高强铝合金在高温、高湿、长表面润湿时间（TOW）和高Cl-沉积速率的海洋大气环境中腐蚀最为严重。作者明确了局部腐蚀参数与力学性能退化敏感性之间的关系，对2524-T3高强铝合金在不同大气环境下的服役寿命预测具有重要的工程实践意义。（文：小花儿）
本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。
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