ZL205A材料在海洋环境中腐蚀开裂的解决措施

钟登宽，陈文君，周水峰

(重庆长安工业(集团)有限公司，重庆 401100)

ZL205A材料是一种高强度高韧性铸造铝合金，该合金是1971—1975年由北京航空材料研究院研制出来，最初立足于得到综合性能全面超越俄罗斯BAΠ14、美国的KO21和国内的ZL204合金，其铸件用于替代飞机上一部分LC4和LD5铝锻件。由于ZL205A材料抗拉强度≥440 MPa[1]，具有强度高，质量轻等特点，目前已在航空、航天、兵器、核工业、汽车等领域内大量使用，尤其该合金优质铸件在飞机、火箭、导弹上用于大型受力构件和以铸代锻、充分发挥该材料的高强度高韧性能，取得了较大的经济效益和社会效益[2]。ZL205A材料是典型的AL2Cu系高强度铸造合金，由于结晶温度范围宽，在组织凝固时呈粥状方式凝固，疏松倾向较大，铸件内易产生疏松、热裂、缩孔等铸造缺陷。铸造缺陷和本身化学成分抗腐蚀能力低导致ZL205A材料铸造的产品在海洋环境长期的使用下，由于维护保养欠缺等腐蚀原因引起裂纹[3]。近年来,有学者通过溶液浸润腐蚀试验、剥落腐蚀试验、腐蚀失重试验、动态强度损失试验研究ZL205A的腐蚀行为，分析了点腐蚀、晶界腐蚀过程，腐蚀对材料力学性能的影响，材料的腐蚀失重以及普通腐蚀机理。通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)、DCB断裂力学试验和C环应力腐蚀试验研究ZL205A合金的应力腐蚀敏感性[4]。除了模拟试验研究外，部分产品在海洋环境中发生ZL205A材料开裂的实例也证实了铸造ZL205A材料机械产品裸露在海洋环境外面存在缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀等多种腐蚀的作用下，引起产品出现裂纹[5]。所以探索研究ZL205A材料腐蚀开裂的解决方法非常必要，本文通过实例研究在海洋环境中ZL205A材料开裂的解决措施。

1 应力腐蚀裂纹

1.1 裂纹特点

船载ZL205A材料箱体，安装在机器设备上，处于船甲板上方，箱体上方承受钢质重物，内部安装电气箱体。箱体主要承受机器设备工作时产生的振动冲击以及在海浪中的倾斜摇摆冲击。为满足总体单位对机器设备的轻量化要求，需选择强度较高的轻质金属。由于ZL205A材料强度高，铸造及加工工艺成熟，质量可控，所以选择ZL205A—S—T6/Ⅱ-GB/T9438—1999材料。ZL205A材料箱体在船上经过6年多的使用，在其下边缘部位发现一条约3 cm长的裂纹，拆卸后发现底部存在其他3条裂纹，具体见如图1中箭头所示。

从箱体裂纹现象分析，裂纹具备以下特征：1)基本都在箱体底部各边缘；2)裂纹贯穿安装孔或安装螺纹孔；3)裂纹由箱体外边缘向内部延伸；4)裂纹位置存在大量白色粉末腐蚀产物。

1.2 理化分析

将裂纹箱体返厂进行理化分析，在ZL205A材料开裂的箱体上，取样4块(1#～4#)，1#、2#样品为裂纹部位取样，3#、4#样品为正常部位取样。箱体两个过孔与两个螺钉孔处均有一条贯穿壁厚且沿孔直径方向延伸的裂纹，裂纹所在部位表面有漆层脱落，且附着有白色腐蚀产物，裂纹见图2，图3，断口扫描形貌见图4，图5。

理化分析结论为：

1) 送检箱体在两个过孔与两个螺钉孔处均有一条贯穿壁厚且沿孔直径方向延伸的裂纹，裂纹所在部位表面有漆层脱落，且附有白色腐蚀产物。

2) 1#、2#裂纹样品裂纹特征相似，在孔的端面区域裂纹较宽，裂纹断口大部分均呈深黑色或覆盖有白色腐蚀物，扫描电镜观察不到断裂特征；裂纹尾部为浅灰色，微观形貌为沿晶加准解理。X射线能谱分析表明：除材料本身元素外，裂纹断口上主要含元素O、Na及少量Ca、Cl。

3) 在1#～4#样品上取样进行化学分析,1#样品Ti、Zr超出GB/T1173—2013中ZL205A规定；2#样品Cu、Ti、Zr超出规定；3#，4#样品化学成分正常。

4) 在1#、2#样品上取样进行拉力试验，抗拉强度及伸长率符合GB/T 9438—1999《铸造铝合金》规定。

5) 金相检测表明：1#、2#裂纹特征相似，主裂纹有分叉、沿晶扩展。主裂纹两侧及附近零件表面有较多沿晶界的网状细裂纹，可见腐蚀产物。裂纹周围无疏松、孔洞聚集等铸造缺陷。在远离裂纹的零件腐蚀表面取金相剖面观察，也可见沿晶细裂纹及腐蚀产物。

6) 试样经浸蚀后观察，组织无过烧；基体组织为α-Al 加细小质点T(Al12CuMn2)相加CuAl2相加未溶相，T 相沿晶界析出。根据JB/T7946.3—1999，针孔度级别为一级。

7) 综合上述检测结果分析，认为送检箱体上的裂纹为应力腐蚀裂纹。

2 原因分析

根据箱体出现裂纹的特征从设计、制造和使用环境条件等方面对裂纹产生的可能因素进行分析。

1) 设计

箱体在设计强度不足的情况下，在船体最大倾斜摇摆条件下，机械设备工作时对箱体的冲击振动最大，箱体可能因工作应力超过本身材料强度而产生裂纹。经过在倾斜摇摆最大条件下，对箱体所承受的最大冲击载荷叠加采用ANYSY软件仿真分析计算，安全系数最小为2.4，满足产品使用要求。

2) 制造

从理化分析的有裂纹箱体力学性能符合国家标准GB/T9438要求,热处理无过烧现象，箱体的针孔度为一级，箱体表面未见明显的机加刀痕，尺寸符合图纸要求，这说明铸造缺陷、热处理缺陷和机加缺陷不是造成箱体裂纹的直接原因。在箱体裂纹所在部位表面有漆层脱落，且附着有白色腐蚀产物，说明箱体的表面处理层在海洋环境下已被腐蚀破坏。表面处理缺陷是箱体产生裂纹的原因之一。

3 应力腐蚀及其机理

应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀是由外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。ZL205A材料箱体位于机器设备底部位置与船甲板距离较近，且箱体与安装构件相连为悬臂结构，箱体底部筋与安装构件底部之间存在间隙，因箱体安装螺栓后对孔洞间隙未进行密封处理，在海洋环境下，尤其是海浪及暴雨过后，海浪涌入箱体底部与安装构件的间隙，滞留在螺纹通孔与钢丝螺套、安装孔与螺栓的间隙中，如图6所示。用清水清洗保养后，清水与海水混合在一起，滞留在螺栓与螺栓通孔的间隙处，因螺栓为钢制，箱体材料为加入Cu元素的铸造铝合金ZL205A，异种金属直接接触且电极电位差极大,在电解液中构成宏电池，使电位较低的金属Al(阳极)放出离子，电位较高的金属Fe(阴极)吸收离子，产生腐蚀现象。

铝合金在应力和腐蚀介质联合作用下，发生应力腐蚀。由于箱体采用T6状态ZL205A材料，铸件本身进行热处理、人工时效等工序，零件内应力已消除。经过理论分析计算，在安装孔及安装螺纹孔处的工作应力相比其他部位较大，所以在海水等腐蚀介质长期浸入的条件下，箱体发生腐蚀现象，产生大量白色腐蚀产物。腐蚀产物不断增多后，体积膨胀，造成局部应力增大以及在工作应力的作用下，箱体产生应力腐蚀开裂。从裂纹箱体的理化分析特征现象证实：应力腐蚀是箱体产生裂纹的直接原因。

ZL205A箱体材料由于加入Cu,晶间腐蚀敏感性高，本身的抗腐蚀性差，在海洋环境下安装在船甲板上方位置，与海水相对较近。由于安装螺栓孔洞间隙未进行密封处理，腐蚀介质(海水、盐雾)大量长期进入，破坏损伤表面油漆处理层，箱体安装孔边缘与螺栓接触，异种金属在腐蚀介质进入条件下，构成电池效应，在安装孔附近产生强烈的局部腐蚀现象。随着时间延长，腐蚀产物增多，体积膨胀，腐蚀产物发生“楔入效应”产生张应力加上产品工作应力的作用下，在安装孔相对应力集中部位，发生应力腐蚀。随着间的推移，应力腐蚀导致材料开裂。

4 解决措施

4.1 材料选择及优化结构

根据裂纹分析原因，采取在船上应用超过十年以上的抗腐蚀性强的铸造铝合金ZL114A材料，根据GB/T1173—1995《铸造铝合金》的规定ZL114A—SB—T5抗拉强度(MPa)≥290。

为适应产品的结构强度要求，经过有限元分析优化设计，原箱体结构的底部增加5 mm凸台，后部薄壁增加4 mm的改进结构设计，其余结构尺寸不变，不影响箱体的安装。有限元分析箱体在船最大摇摆下机器设备工作时最大应力的安全系数为2.4。优化设计后，箱体重量增加9 kg，在后续箱体铸造机加中对重量进行严格控制，箱体实际重量未超过产品重量指标，满足产品的使用要求。

为验证ZL114A材料箱体的力学性能，在试验室中设计制造了模拟船上安装机器设备的工装，将箱体安装在工装上参照国家军用标准，根据实测机械设备冲击参数对箱体完成了冲击振动试验。耐振试验在箱体垂直、横向、纵向三轴分别进行频率为5～16 Hz位移为1 mm的共振检查，如未发现危险频率，则分别在垂直、横向、纵向三轴分别进行频率为16～60 Hz，加速度为10 m/s2的共振检查。在垂直、横向、纵向三轴方向以每分钟一个倍频程的速率进行10次扫频循环检查共振危险频率。若该方向上有危险频率，则在危险频率上振动2 h，若没有危险频率则在上限频率上振动2 h。冲击试验，根据机器设备工作时箱体横向、纵向、垂直向的实测冲击加速度值以及持续时间，在箱体的横向、纵向、垂直向进行冲击试验。耐振和冲击试验后，检查ZL114A箱体冲点划线无变化，箱体无裂纹。

4.2 表面防护

对于箱体涉及装配的螺栓孔洞采用密封胶进行封堵以提高产品的防护性，内外表面涂三层防护漆(底漆+中间漆+面漆)，提高产品抗腐蚀能力。为验证箱体涂胶涂漆效果，采取试验室模拟试验。采用钢制螺栓螺钉装配6件铝合金试样，在螺孔间隙处涂87硅橡胶、防海水密封胶(HX7837)按GB/T10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》标准经过 1 500 h连续喷雾，涂胶部位均未出现腐蚀现象。将涂87硅橡胶、防海水密封胶(HX7837)各3件铝合金试样放于3%NaCl盐水中，常温放置360 h后取出观察，胶层均未出现起泡、开裂及脱落等现象，继续将试样放入3%NaCl盐水中，加热到50 ℃，保持240 h后取出观察，未出现起泡、开裂及脱落等现象。试验证明：87硅橡胶、防海水密封胶(HX7837)具有良好的防护性。根据胶质粘稠特点以及箱体的使用密封胶条件，箱体盖板因定期检修需要拆卸，箱体盖板螺钉孔洞间隙采用87硅橡胶；因箱体检修年限长，所以箱体底部以及侧部间隙采用防海水密封胶密封。为验证三重防护漆的防护性，采用涂三层防护漆的铝板和钢板试样进行附着力、冲击强度、耐盐水、氙气老化、盐雾试验，试验均取得良好的效果,具体检测项目见表1。

表1 涂三层防护漆试样理化检测项目

5 结论

ZL205A材料箱体在海洋环境中易发生应力腐蚀开裂，通过采用ZL114A材料替代ZL205A材料，优化箱体结构，采取密封胶对装配间隙密封，对箱体内外表面涂三重防护漆等措施后，通过试验验证能满足海洋环境下产品使用要求。