推进剂贮箱用2A14铝合金接头应力腐蚀性能研究

刘观日 雷勇军 刘德博 常志龙 王渭平

(1 国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073)(2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)(3 长征机械厂军事代表室，成都 610100)

推进剂贮箱用2A14铝合金接头应力腐蚀性能研究

刘观日1,2雷勇军1刘德博2常志龙2王渭平3

(1 国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073)(2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)(3 长征机械厂军事代表室，成都 610100)

文 摘 为了研究推进剂贮箱用2A14铝合金接头介质相容性，分析了铝合金的应力腐蚀机理，以2A14-T6铝合金本体、搅拌摩擦焊(FSW)接头和变极性氩弧焊(VPTIG)接头为研究对象，通过慢应变速率拉伸法进行应力腐蚀试验研究。结果表明，2A14铝合金在3.5%NaCl溶液中存在应力腐蚀现象，FSW接头的抗腐蚀性能优于VPTIG接头。。

铝合金，应力腐蚀，慢应变速率法

0 引言

铝及铝合金具有高比强度、高比模量、高耐蚀性及易加工成型等诸多优点，在航空航天领域得到广泛应用，目前其产量和使用量仅次于钢铁材料，居有色金属之首位。自上世纪初铝合金诞生以来，应力腐蚀开裂(SCC)问题就成为铝合金广泛应用的一大瓶颈。

20世纪40年代，德国齐柏林飞艇的铝合金构件因应力腐蚀而断裂，美国阿波罗登月舱以及土星号火箭结构也发生了类似的应力腐蚀破裂问题[1]。即便是现在研制喷气式飞机也不可避免的存在铝合金应力腐蚀问题。应力腐蚀最主要的特征是结构件在断裂破坏前没有明显的预兆，而其破坏性以及危害性却极大。因此，铝合金应力腐蚀开裂问题倍受学术界关注[2,3]，多年来国内外众多学者在此领域做了大量的研究工作，并在铝合金的SCC破坏机理、影响因素及防范控制措施等方面已取得了较大研究进展。

在通常情况下，金属材料产生SCC需要具备三个基本条件：(1)材料本身必须对SCC敏感；(2)结构件必须处于特定的腐蚀环境中(对铝合金而言，在盐水介质中)；(3)结构件必须受拉应力作用。推进剂贮箱结构充分具备了以上条件，特别是对于长期接触推进剂介质的贮箱而言，在贮箱选材时需要考虑材料的应力腐蚀性能。我国航天器贮箱通常采用2XXX系列铝合金作为结构主材料(如我国CZ-3A系列火箭贮箱即采用了2A14铝合金)，其中2A14铝合金在成熟火箭贮箱应用最为普遍，而这类铝合金通常对SCC比较敏感，有必要对材料的SCC性能进行研究。

本文对铝合金材料SCC的机理进行了分析，采用慢应变速率拉伸法(SSRT)对2A14铝合金本体和两种工艺焊接接头的SCC性能进行深入的试验对比，研究了应力腐蚀对材料性能的影响，对两种焊接工艺的应力腐蚀敏感性进行了对比分析，为2A14铝合金的工程应用提供了一定支撑。

1 2A14铝合金的SCC试验

1.1 试验方法

SCC试验方法多种多样，如恒载荷法、恒应变法、慢应变速率拉伸试验法(SSRT，又称恒应变速率法)等，SSRT方法是一种将材料与环境体系的应力腐蚀敏感性进行快速分类的实验室方法，其优点是试验周期短，可快速鉴别材料应力腐蚀敏感性。GB15970[4]和HB7235标准[5]中将SSRT法作为评价金属腐蚀性能的一种有效方法。

对大多数金属材料来说，应变速率在10-6～10-7s-1之间时力腐蚀最敏感，W. T.TSAI等[6]研究表明7050-T7451铝合金在中性3.5% NaCl溶液中应力腐蚀最敏感的应变速率为8×10-7s-1。R.BRAUN[7]研究表明7050-T651铝合金在人工海水中应力腐蚀最敏感的应变速率小于10-6s-1。因此，本文分别选取了5×10-6、1×10-6、5×10-7s-1三种应变速率进行SSRT试验，腐蚀介质均采用3.5% NaCl溶液，每类试验均有2件空气中对比件。

1.2 试验件

选取T6态2A14铝合金，分别对本体材料、搅拌摩擦焊接头(FSW)和变极性氩弧焊接头(VPTIG)进行试验研究，具体试验矩阵见表1所示，试样典型结构尺寸见图1。

3 结果分析

通过SSRT试验，获得了各类试样在不同应变速率下的断裂强度和延伸率，结果见表2所示。

表2 SSRT试验结果

三种试样在空气中拉伸应力-应变曲线见图2所示，三种试样分别在空气与3.5% NaCl中的应力-应变曲线见图3～图5所示。

从表2与图2可以看出，在空气中进行试验的三种试样，每种各自重复性非常好，但是三种试样的应力-应变曲线明显不同，其中本体试样屈服强度高，存在明显的屈服点，且断裂延伸率高，在接近断裂前有明显的应力下降趋势；而焊接接头应力-应变曲线无明显屈服点，且断裂前应力一直在上升；FSW焊接接头屈服点及断裂应力明显高于VPTIG焊接接头，从表中数据可知，FSW焊接接头强度达到本体的82.3%，而VPTIG焊接接头强度仅达到本体的60.8%，由此可见，FSW接头性能要远高于VPTIG接头性能。

从表2和图3可以看出，采用慢应变速率拉伸试验的本体试样，其强度和延伸率都低于空气中本体性能，且随着拉伸速率的降低而降低，说明2A14铝合金本体在3.5%NaCl溶液中发生了应力腐蚀，在5×10-7s-1速率情况下其强度下降约1.2%，而延伸率下降了11%，由此可见，应力腐蚀对延伸率影响更大。

从表2和图4、图5可以看出，FSW、VPTIG焊接接头采用慢应变速率拉伸试验后，其强度和延伸率基本上也随着拉伸速率的降低而降低，在5×10-7s-1速率情况下其强度下降分别为4.3%、8.0%，延伸率下降分别为22%、18%，与本体试样数据对比可知，焊接接头对应力腐蚀更为敏感，其强度和延伸率下降更为明显，且FSW焊接接头抗应力腐蚀性要优于VPTIG焊接接头。

试验完成后，对各种试样的断口进行了微观组织观察，图6～图8分别给出了2A14本体、FSW接头、VPTIG接头部分断口微观组织形貌。

从图6可以看出，2A14铝合金本体断口存在大量韧窝，属于韧性断裂，随着拉伸速率的降低，局部区域出现少量解理断口形貌，发生混合型断裂，由此可见，2A14铝合金具有应力腐蚀倾向但敏感性并不高。

从图7、图8可以看出，FSW接头和VPTIG接头断口仍呈现韧性断裂，但是VPTIG接头韧窝不均匀，呈现一定程度脆性，慢应变速率拉伸断口出现较多解理断口形貌，其应力腐蚀敏感性比本体高。

综上所述，2A14铝合金在3.5%NaCl溶液中存在应力腐蚀倾向，其中本体抗应力腐蚀能力最强，其次是FSW接头，而VPTIG接头最差，同时应力腐蚀对结构延伸率的影响要远大于对结构强度的影响。

3 结论

2A14铝合金具有应力腐蚀倾向，应力腐蚀对材料强度影响较小，但对延伸率影响较大；通过对比分析，2A14本体抗应力腐蚀能力最强，其次是FSW接头，而VPTIG接头最差，因此对于长期与介质接触的贮箱结构应优先选用FSW焊接工艺。

[1] SPEIDEL M O. The theory of stress corrosion cracking in alloys[M]. 1971: 289-344.

[2] SONG R G, Dietzel W. Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement of an Al-Zn-Mg-Cu alloy[J]. Acta Material, 2004, 52(16): 4727 - 4743.

[3] CAECHOWSKI M. Stress corrosion cracking of aluminium alloys and their welded joints[C]. The 7thPolish Corrosion Conference.. Poland: Krakow, 2002: 17-21.

[4] 金属和合金的腐蚀,应力腐蚀试验[S].GB15970,

[5] 中华人民共和国航空工业标准慢应变速率应力腐蚀试验方法[S].HB7235-95,

[6] TSAI W T，DUH J B，YEH J J. et al. Effect of pH on stress corrosion cracking of 7050-T7451 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution[J]. Corrosion，1990, 46(5): 444-449.

[7] BRAUN R. Slow strain rate testing of aluminum alloy 7050 in different tempers using various synthetic environments[J]. Corrosion, 1997, 53(3): 467-474.

Stress Corrosion Study of 2A14 Alloy Joint Used on Propellant Tank

LIU Guanri1,2LEI Yongjun1LIU Debo2CHANG Zhilong2WANG Weiping3

(1 College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073)(2 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076)(3 Changzheng Machinery Factory Military Representive Office,Chengdu 610100)

In order to study the compatibility of 2A14 alloy joint used on propellant tank, stress corrosion mechanism of aluminum alloy was analysized in this paper. The base metal, FSW joint and VPTIG joint of 2A14-T6 aluminum alloy were chosen to make corrosion experimentation with slow strain rate method. The result shows 2A14 aluminum alloy have stress corrosion tendency in 3.5% NaCl solution. And the corrosion resistance of FSW joint is better than VPTIG joint.

Aluminum alloy, Stress corrosion, Slow strain rate method.

2016-12-28

刘观日，1975年出生，博士研究生，从事弹箭体结构设计工作。E-mail：13683157563@139.com

V146.2+1 10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.010