鋁鋰合金剝蝕研究和分形維數(shù)在表征腐蝕中的應(yīng)用.pdf

1、首先，本論文研究了兩種高強(qiáng)度的航空用鋁鋰合金AA2090和AA2195合金在剝蝕發(fā)展過程中各階段的腐蝕形貌特征，并研究其電化學(xué)阻抗譜(EIS，electrochemical impedance spectroscopy)和電化學(xué)噪聲(EN，electrochemical noise)隨時間的演化規(guī)律。合金均經(jīng)T6時效處理，達(dá)到峰值時效狀態(tài)。由于成分差異進(jìn)而導(dǎo)致時效后金相組織的不同，使兩種合金在EXCO溶液中的剝蝕行為有明顯區(qū)別，表現(xiàn)出具

2、有明顯差異的耐剝蝕性能。 在采用的時效參數(shù)下，2195-T6合金的晶內(nèi)T<,1>相(相對晶格本體為陽極相)析出相對更多，在晶界和亞晶界析出的T<,1>相減少。這樣的金相結(jié)構(gòu)不能為剝蝕發(fā)展提供連續(xù)的陽極通路，所以2195-T6合金在浸泡較長時間后才出現(xiàn)典型的剝蝕形貌，且剝蝕程度較淺，形態(tài)為不連續(xù)的小片剝離，表現(xiàn)出了良好的耐剝蝕性能。 2090-T6合金的時效組織具有如下特點(diǎn)：合金時效時，T<,1>相主要在亞晶界及位錯處析出

3、，同時T<,1>相在亞晶界處長大，消耗θ’相，形成沿亞晶界分布的貧Cu無沉淀帶(PFZ，precipitation free zone)，為剝蝕發(fā)展提供了連續(xù)的陽極通路。同時合金中還存在Fe等雜質(zhì)元素形成的雜質(zhì)相。在EXCO溶液中浸泡過程中，由于陽極相T<,1>相的集中分布，很快發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕。同時在作為局部陰極的雜質(zhì)相周圍形成大的蝕孔，成為剝蝕引發(fā)的中心。剝蝕一旦引發(fā)，即沿著平行于表面的連續(xù)陽極通路持續(xù)躍進(jìn)發(fā)展，最終表現(xiàn)為嚴(yán)重的大

4、片連續(xù)鼓泡式的剝蝕形貌。相對于2195-T6合金，2090-T6合金的耐剝蝕性能較差。 兩種合金在剝蝕發(fā)展過程中的EIS演變具有共性：在浸泡初期的點(diǎn)蝕引發(fā)階段的EIS都呈現(xiàn)一個高頻容抗弧加一個中低頻感抗弧的結(jié)構(gòu)特征，并且隨浸泡時間延長感抗弧都趨于消失；在剝蝕發(fā)展階段和剝蝕后期，EIS表現(xiàn)為兩個容抗弧構(gòu)成。所以，采用EIS可以有效表征剝蝕引發(fā)階段和剝蝕發(fā)展階段。 兩種合金剝蝕發(fā)展過程中的EN數(shù)據(jù)在經(jīng)過小波變換處理之后，在分

5、解信號的不同階分量上都清晰地表現(xiàn)出了剝蝕發(fā)展過程中尖端斷裂和后續(xù)擴(kuò)散過程的特征信息。同時，高頻各階分量的相對強(qiáng)度隨時間的演變也良好地反映了兩種合金的腐蝕演變過程的特征。其次，采用EIS作為表征局部腐蝕類型的手段，研究了外加拉應(yīng)力對兩種鋁合金——LC4合金和2090-T6合金的剝蝕的影響。結(jié)果表明，外加拉應(yīng)力沒有改變兩種合金的剝蝕發(fā)展過程，同時對剝蝕的引發(fā)和發(fā)展均表現(xiàn)出一定的加速作用。具體的機(jī)制在于： 當(dāng)施加外加拉應(yīng)力于浸泡于EX

6、CO溶液中的鋁合金材料上時，材料發(fā)生彈性拉伸，使表面氧化膜缺陷的密度增大，進(jìn)而增大了侵蝕性陰離子(主要是Cl<'->)吸附點(diǎn)密度。而且氧化膜本身由于被拉伸，與基體之間出現(xiàn)錯位等因素也會導(dǎo)致其更容易與Cl<'->反應(yīng)，被溶解進(jìn)入溶液，促進(jìn)了剝蝕的引發(fā)。對于浸泡初期極化電阻相對較大的LC4合金，施加拉應(yīng)力會明顯促進(jìn)剝蝕引發(fā)階段的腐蝕速度；而且在材料的彈性形變范圍內(nèi)，材料的拉伸程度與施加的拉應(yīng)力水平成正比，進(jìn)而導(dǎo)致浸泡初期極化電阻與拉應(yīng)力水平

7、呈現(xiàn)出線性關(guān)系。對于2090-T6合金，因?yàn)槠涑煞种蠰i含量較高，而Li在合金澆鑄、軋制和后期熱處理過程中容易發(fā)生宏觀偏析，表面層和氧化膜中的Li含量偏高，氧化膜本身非常容易被溶解，其初期的極化電阻受拉應(yīng)力水平影響并不明顯。 而且，外加拉應(yīng)力會在剝蝕發(fā)展階段的腐蝕尖端產(chǎn)生附加的應(yīng)力強(qiáng)度因子。由于剝蝕區(qū)存在尺寸較大的與體相溶液連通的蝕孔或溝槽，所以被剝開的表層實(shí)際上并未負(fù)載拉應(yīng)力。這樣被拉伸的基體與松弛的表層之間存在剪切應(yīng)力。該剪

8、應(yīng)力在剝蝕發(fā)展的尖端形成了一個附加的應(yīng)力強(qiáng)度因子，與腐蝕產(chǎn)物楔入應(yīng)力共同作用于剝蝕尖端。計(jì)算表明，在實(shí)驗(yàn)采用的拉應(yīng)力水平下，總的應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)大于未施加應(yīng)力情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。所以，外加拉應(yīng)力會加速剝蝕的發(fā)展過程。 最后，研究了圖像分形維數(shù)和EIS分形維數(shù)在表征材料在中性溶液中局部腐蝕類型的應(yīng)用。結(jié)果表明：對于采用的兩種鋁合金——2195-T6 Al-Li和2024-T3Al-Cu，圖像分形維數(shù)和EIS分形維數(shù)在發(fā)展趨勢上有較