铝锂合金加速腐蚀损伤概率分布规律研究

刘治国，叶彬，穆志韬

（1.海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛 266041；2.洪都航空工业集团650所，南昌 330024）

1420 铝锂合金是一种高性能材料，它具有密度小（2.47 g/cm3）、弹性模量高（76 000 MPa）的特点，代替常规的铝合金，可使构件质量降低10%～15%，刚度提高15%～20%。1420 铝锂合金已具有20 多年实际使用经验，是目前工程应用最广泛的铝锂合金[1—2]，多应用于航空航天及导弹武器等领域，美国和俄罗斯的飞机结构大量采用了该合金材料[3—4]。

1420 铝锂合金作为飞机结构材料，随着飞机服役年限的增加，在环境中的腐蚀问题也日益凸显出来。由于飞机结构件的使用寿命通常取决于构件的最大腐蚀深度，因而研究1420铝锂合金的腐蚀深度分布类型及发展规律，对于确定飞机结构腐蚀疲劳寿命或日历寿命显得尤为重要。以腐蚀深度为基础依据，制定飞机铝锂合金结构相应的腐蚀容限或实施腐蚀控制、制定修理周期。由于用EXCO 溶液浸泡能够较好地再现铝锂合金于实际环境中的腐蚀损伤形式[5]，故选用EXCO溶液对1420铝锂合金的腐蚀行为进行研究。

1 试验方法

试件采用1420 铝锂合金板材加工，尺寸为60 mm×40 mm×2 mm。其成分、加工和热处理状态与飞机结构实际使用的材料一致，原始试件图片及金相微观图片如图1所示。试验前需对试件进行相应的预处理[6]，试验溶液为标准的 EXCO 溶液[5]，每隔48 h更换1次。试验过程参照HB 5455—90进行，每隔24 h取出1组试验件。试件取出后按一定程序进行清洗并测量腐蚀深度[5]。

图1 试件未腐蚀试验前的初始状态和微观照片Fig. 1 The initial status and microgram photo of pro-corrosion specimen

2 试验结果

试验共进行了27 d。在第3天，试件表面开始出现点蚀；之后至第12天的过程中，蚀坑逐渐加深，点蚀逐渐向剥蚀阶段发展；12 d后，试件腐蚀发展为剥蚀阶段，直至试验结束。试件金属基体发展为严重的分层状的剥蚀，部分阶段的试件图片及金相图片如图2所示。

在浸泡16 d后，试件发生了严重的剥蚀，难以准确测量腐蚀深度数据，故本试验共测得了前16 d 的试件腐蚀深度数据，部分浸泡周期的腐蚀深度数据见表1—表3。

图2 EXCO溶液浸泡试验后试件外观、表面和金相断口显微照片Fig. 2 The appearance and surface and metallographic photo of specimen after corrosion

表1 浸泡3 d后的腐蚀深度测量数据Table 1 The corrosion depths of specimen after 3 days corrosion μm

3 腐蚀损伤深度分布规律研究

试件腐蚀坑发生的时间及发展速度存在较大的分散性，测量所得的腐蚀深度是一个随机变量，因此，采用统计分析方法对腐蚀数据进行分析比较适宜。以往研究表明[7—8]：铝合金腐蚀深度的分布形式有正态分布、Gumbel（I型极大值）分布、Weibull分布和对数正态分布等。对上述分布函数采取适当的变换[8]，得到4种分布形式的分布函数，见表4。

表2 浸泡9 d后的腐蚀深度测量数据Table 2 The corrosion depths of specimen after 9 days corrosion μm

表3 浸泡16 d后的腐蚀深度测量数据Table 3 The corrosion depths of specimen after 16 days corrosion μm

将不同浸泡周期的腐蚀深度测量值按从小到大的次序排列，第1号数值为腐蚀深度最小测量值D1，第i 号的腐蚀深度测量值为Di，第i 号数据的统计概率Pi用式（1）表示：

式中：i=1，2，3，…，N，N 为腐蚀深度测量值个数，在本试验中，N=40。首先假设腐蚀深度分别服从Gumbel、正态、对数正态和Weibull分布，然后分别计算出对应的的数值，在对应的概率坐标图中拟合并对各分布进行检验。

Pearson相关系数r的计算公式为：

在显著水平α下，满足假设分布的线性相关性临界值由式（3）计算：

当显著性水平α=0.05 时，即置信水平1-α=0.95 时，计算可得腐蚀周期为 3～15 d 的 t0.0（538）=1.685，线性相关临界值rc=0.263 8。同理可计算得出腐蚀周期为16 d 的线性相关临界值rc=0.345 1。根据式（2）及表1—表3 腐蚀深度测量数据计算，结果见表5。

从表5 可知，4 种分布形式的相关系数都远远大于临界线性相关系数。由此可见，1420 铝锂合金在EXCO 溶液中浸泡的腐蚀深度较好地服从了4 种分布。

同时，从表5 分析可见，在不同的腐蚀周期，腐蚀深度服从4种分布函数具有一定的优劣性，如：浸泡3 d 腐蚀深度服从Gumbel 分布的相关系数为0.991，为4种分布形式相关系数中的最大值，因而浸泡3 d 腐蚀深度的最佳分布为Gumbel 分布；浸泡6 d和9 d的最佳分布为对数正态分布；浸泡12 d和16 d的最佳分布为正态分布。

表5 分布形式的相关系数Table 5 The correlated coefficient of different probability distribution

另将表1—表3中的腐蚀深度测量数据代入表4中的线性方程，则可得到不同分布的线性回归方程，计算结果见表6。 同时根据最小二乘法，则可得到不同分布的线性回归方程的剩余标准差：具体计算结果见表6。

由表6 可见，不同分布形式的拟合线性方程的剩余标准差也能够体现不同周期、不同分布函数的优劣性，如在腐蚀浸泡周期为3 d时，其Gumbel分布形式的拟合线性方程的剩余标准差为0.152 5，在4种分布函数中最小，说明浸泡周期为3 d时腐蚀深度的最佳分布为Gumbel分布。此结论与表5中相关系数分析结果相同，其他周期腐蚀深度分析结果也与表5中分析结果相同，说明文中分析结果有效。

4 腐蚀深度动力学规律研究

将不同腐蚀周期的腐蚀深度数据进行描点，得到1420铝锂合金EXCO溶液浸泡加速腐蚀深度随腐蚀周期变化规律图，如图3 所示。由图3 可见，腐蚀深度变化存在明显分段现象，即在浸泡初期（3～12 d），腐蚀深度发展较慢；12 d 后，腐蚀深度增速明显加快。

基于腐蚀深度的上述变化规律，遵循“分段建模”[9]原则采用分段函数来建立腐蚀动力学方程，分段节点为浸泡12 d。基于上述分析，根据经验变换得到不同腐蚀周期腐蚀动力学方程为：

1）当3 d≤t＜12 d时，t与D呈线性关系，利用最小二乘法拟合可以得到腐蚀动力学方程为：

D=-3 507.16+304.68 t

表6 分布检验及线性方程Table 6 The results of probability distribution inspection and linear equation

2）当 12 d≤t≤16 d 时，t 与 D 也呈线性关系，同样利用最小二乘法进行数据拟合可以得到腐蚀动力学方程为：

D=45.38+13.67 t

5 结论

从统计分析结果来看，腐蚀3 d，铝锂合金腐蚀深度最优分布为Gumbel分布；腐蚀6 d和9 d，腐蚀深度最优分布为对数正态分布；腐蚀12 d和16 d，腐蚀深度最优分布为正态分布。

图3 1420铝锂合金腐蚀深度与腐蚀时间关系Fig. 3 The kinetics law of aluminium-lithium alloy in EXCO solution

在EXCO 溶液浸泡环境下，根据1420 铝锂合金的腐蚀形貌特征，可将其腐蚀过程归纳为2个阶段。

1）点蚀阶段：腐蚀处于初始阶段，腐蚀深度随试验时间增加而增加，其特征为蚀坑（腐蚀试验的第3天至第12天），并向剥蚀阶段过渡。

2）剥蚀阶段：腐蚀处于快速增长阶段，腐蚀深度随试验时间增加而迅速增加，呈现出明显的剥蚀特征（在腐蚀试验的第12天之后），在晶间腐蚀较严重部位呈现出轻微的剥蚀，试验到第16 天以后，晶间腐蚀严重部位转变为明显的剥蚀，浸泡试验到第23天，剥蚀现象十分严重，金属基体被完全腐蚀。

[1]张新明，肖蓉，唐建国，等.1420 铝锂合金的温压变形动态再结晶行为[J].中南大学学报，2006，37（4）：629—634.

[2]杨守杰，陆政，苏彬，等. 铝锂合金研究进展[J]. 材料工程，2001（5）：44—47.

[3]张艳苓，郭和平，李志强，等.细晶1420 铝锂合金超塑性能试验研究[J].塑性工程学报，2009，16（4）：134—137.

[4]启文.A380飞机铝合金的开发[J].航空维修与工程，2008（6）：29—31.

[5]王逾涯，韩恩厚，孙祚东，等.LY12CZ 铝合金在EXCO 溶液中的腐蚀行为研究[J]. 装备环境工程，2005，2（1）：20—23.

[6]谢伟杰，李荻，胡艳玲，等.LY12CZ 和7075T7351 铝合金在EXCO 溶液中腐蚀动力学的统计研究[J]. 航空学报，1999（1）：34—38.

[7]陈跃良，杨晓华，秦海勤.飞机结构腐蚀损伤分布规律研究[J].材料科学与工程，2002，20（3）：378—380.

[8]陈群志，崔常京，孙祚东，等.LY12CZ铝合金腐蚀损伤的概率分布及其变化规律[J].装备环境工程，2005，2（3）：1—6.

[9]李玉海，贺小帆，陈群志，等.铝合金试件腐蚀深度分布特性及变化规律研究[J].北京航空航天大学学报，2002，28（1）：98—101.