两种铝合金连接结构的腐蚀-疲劳循环试验研究

赵连红，张红飞，叶远桁，刘成臣，刘元海，王浩伟

（中国特种飞行器研究所 结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，湖北 荆门 448035）

2024 铝合金属于Al-Cu-Mg 系列铝合金，具有高强度和高抗疲劳性能等诸多优点[1-2]，在航空制造使用中发挥着重要作用。通常以蒙皮、隔框、翼肋、翼梁等形式运用到飞机结构中。随着我国深海战略的不断推进实施，飞机在沿海地区和海域的服役机会逐渐增多，长期的高盐雾、高湿热等严酷海洋环境极易引起2024 铝合金材料腐蚀[3-5]。特别是其连接结构形式，由于结构自身缝隙和局部损伤等在海洋环境下更易腐蚀，导致结构腐蚀破坏直接影响飞机安全和可靠性[6-7]。不同的连接方式往往在相同腐蚀环境下结构腐蚀程度不同。丁传富[8]开展了飞机典型机械紧固连接件腐蚀疲劳性能的试验研究。文献[9]研究了预腐蚀环境下铝合金典型螺栓单搭接件疲劳寿命研究。谭晓明[10]、卢松涛[11]、贺小帆[12]等从腐蚀环境下金属连接结构的腐蚀规律着手，得到连接方式对于结构腐蚀疲劳寿命有重要影响。徐永祥[13]从金属机体腐蚀规律和涂层失效两个方面解释了结构腐蚀疲劳寿命差异。

基于此，文中在5%NaCl 盐雾环境下，研究了铝合金铆接连接和螺接连接两种连接形式的金属结构腐蚀损伤发展特性。同时参考文献[14]腐蚀和疲劳交替试验方法，开展腐蚀疲劳试验，对比腐蚀疲劳寿命值，研究连接方式对2024 铝合金结构腐蚀疲劳性能影响。

1 试验

1.1 试验件

试样材料为2024-T3 板材，其化学成分见表1。试验件为哑铃状试验，连接形式分为钢制螺栓连接和铝制铆钉连接两种。钢制螺栓连接试验件的平行试样数量为5 件，其长度为288.6 mm，如图1 所示。试验件选用两种典型的防护体系，其中表面处理采用硫酸阳极化，防护涂层N1 由新型纳米涂料(40～50) μm+ TS96-71 面漆面漆(40～50) μm 构成，防护涂层N2 由TB06-9 底漆(15～25) μm+TS96-71 面漆(40～50) μm 构成。铝制铆钉连接试验件的长度为303.26 mm，如图2 所示，两种典型的防护体系与螺栓连接试验件一致。对N1 涂层，内表面喷涂1 层新型纳米涂料底漆（有机-无机纳米聚硅氧烷涂料）+外表面喷涂 1 层TS96-71 面漆；对N2 涂层，内表面喷涂2 层TB06-9底漆+外表面喷涂1 层TS96-71 面漆。

表1 试验材料的化学成分 %

图1 螺栓连接试验件

图2 铆钉连接试验件

1.2 腐蚀疲劳试验

按照文献[15]关于典型结构试样评定涂层防护有效性评估方法的试验过程要求，开展两种连接试验件腐蚀疲劳试验。开展静力试验确定螺栓连接试验件的破坏载荷P破坏均为91 131 N，铆钉连接试验件的破坏载荷P破坏均为74 981 N，测定两种试验件在各自0.3P破坏载荷下的疲劳寿命NP，每次疲劳加载的次数为疲劳寿命Np的20%，每一次加载次数记为Nui，i=1，2，…4，试验件破坏之前的最后一次加载记为剩余疲劳寿命Nu剩余，具体试验步骤如下所述。

1）将试验件安装于疲劳试验机上，取静力破坏试验载荷0.3P破坏作为疲劳试验载荷，应力比R=0.5，以10 Hz 频率加载20%Np次。对试样进行目视，记录实际加载次数Nu1、检测记录试验件防护涂层、铆钉、螺栓的损伤状态。

2）取下试验件，将试验件放置于试验室中进行30 天标准中性盐雾（5%NaCl）试验。对试样进行目视，记录防护涂层、铆钉、螺栓的状态和表面腐蚀程度。

3）重复步骤1）、2）1 次，将试验件安装于疲劳试验机上，取静力破坏试验载荷0.3P破坏作为疲劳试验载荷，应力比R=0.5，以10 Hz 频率加载，加载次数为Nu2，检测记录试验件防护涂层、铆钉、螺栓的损伤状态。依次开展疲劳和腐蚀试验直至试验件破坏，记录试验件的剩余疲劳寿命Nu剩余，并对试样防护涂层、铆钉、螺栓的状态损伤情况、腐蚀情况和试验件的破坏形貌进行记录。

4）更换涂有防护涂层的试验件，重复步骤1）、2）、3），完成试验，试验结束。

2 结果与分析

2.1 残余疲劳强度分析

螺栓连接试验件在第三个周期的疲劳试验中 破坏，铆钉连接试验件在第二个周期的疲劳试验件中破坏。对钢制螺栓连接试验件而言，GZLSLJ1 试验件（纳米涂料防护体系防护）在腐蚀环境下，其疲劳寿命下降至自身疲劳寿命的 51.5%左右，GZLSLJ2 试验件（2 层TB06-9+1 层TS96-71 防护体系）下降至自身疲劳寿命的49.8%左右。按照HB 5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，疲劳中值寿命要满足 95%置信度要求，GZLSLJ1试验件在5%NaCl 盐雾环境下的5 组残余疲劳寿命值的变异系数为 0.0222；GZLSLJ2 试验件为0.0107，符合HB 5287—1996 的要求，试验数据合理有效。

铝制铆钉连接试验件，LZMDLJ1 试验件（纳米涂料防护体系）在腐蚀环境下其疲劳寿命下降至自身疲劳寿命的22.56%左右，LZMDLJ2 试验件（2 层TB06-9+1 层TS96-71 防护体系）下降至自身疲劳寿命的22.32%左右。按照HB 5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，疲劳中值寿命要满足95%置信度要求，LZMDLJ1 试验件在5%NaCl 盐雾环境下的 5 组残余疲劳寿命值的变异系数为 0.0034，LZMDLJ2 试验件为0.0262，符合HB 5287—1996 的要求，试验数据合理有效。通过对比分析螺栓连接试验件和铝制铆钉连接试验件在5%NaCl 盐雾环境下的残余疲劳寿命，5%NaCl 盐雾环境对铝制铆钉连接试验件腐蚀影响较为严重。

表2 腐蚀疲劳试验后结构的残余疲劳寿命

2.2 断口形貌分析

在5%NaCl 盐雾环境下，两种钢制螺栓连接试验件均在第三个周期的试验中破坏断裂，疲劳破坏的位置均在试验件螺接部位第一排紧固件孔区域，具体腐蚀情况和断裂形貌如图3 所示。钢制螺栓连接试验件通过纳米涂料和传统涂层（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆）两种涂层的防护，残余疲劳寿命值下降为疲劳寿命值的50%左右。钢制螺栓连接试验件在受到疲劳载荷作用下，试验件紧固件连接部位的涂层破坏，如图4 所示。腐蚀介质穿过涂层，进入涂层内部，腐蚀金属基体，导致钢制螺栓连接试验件在5%NaCl 盐雾环境下残余疲劳寿命值下降。同时纳米涂料相较于传统涂层（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆），涂层自身对基底金属起到钝化作用。当涂层发生破坏后，涂料中的磷酸盐作为修复剂，发生氧化还原反应，形成新的致密涂层，有效阻止外界腐蚀介质进入涂层内部[16]，降低了腐蚀介质与紧固件孔壁发生腐蚀的可能性，减少产生腐蚀损伤源的概率，降低了试验件连接部位裂纹源产生导致的疲劳破坏。因此，纳米涂料对于2024铝合金钢制螺栓连接结构的防护作用更好。

在5%NaCl 盐雾环境下，两种铝制铆钉连接试验件均在第二个周期的试验中破坏断裂，疲劳破坏的位置均在试验件铆接部位第一排紧固件孔区域。具体腐蚀情况和断裂宏观形貌如图5 所示，断口形貌的微观照片如图6 所示。铝制铆接连接试验件通过纳米涂料和传统涂层（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆）两种涂层的防护，残余疲劳寿命值下降为疲劳寿命值的22%左右。说明铝制铆接连接试验件在受到疲劳载荷作用下，试验件紧固件孔与铆钉之间的涂层破坏较为严 重，大量腐蚀介质穿过涂层进入涂层内部，腐蚀金属基体。在紧固件孔壁发生腐蚀损伤，形成腐蚀损伤源，极大地促进结构腐蚀疲劳提前发生，导致铝制铆接连接试验件的残余疲劳寿命值减少很多。同时，相较于传统涂层（TB06-9 底漆+ TS96-71 面漆），纳米涂层表面有较大裂纹和缝隙时，对基底金属的钝化作用和自修复作用已经丧失[16]，无法阻止外界腐蚀介质进入涂层内部，导致腐蚀介质与紧固件孔壁金属发生腐蚀的可能性增大，增加腐蚀损伤源的概率，致使试验件提前发生腐蚀疲劳破坏。

图3 钢制螺栓连接试验件腐蚀疲劳试验断口照片

图4 钢制螺栓试验件紧固件孔与螺栓之间的涂层破坏

图5 铝制铆钉栓连接试验件腐蚀疲劳试验断口照片

图6 LZMDLJ2 试验件腐蚀疲劳试验断口微观照片

开展5%NaCl 盐雾环境下两种2024 铝合金连接件的腐蚀疲劳试验，对比2024 铝合金连接件在两套涂层体系下的残余疲劳寿命。研究得到，2024 合金连接结构采用0.3P破坏为疲劳载荷，在5%NaCl 盐雾环境下，相较于铝制铆接连接形式，钢制螺栓连接紧固件孔壁与螺栓件的涂层破坏区域较少，防护涂层能有效地阻止腐蚀介质穿过涂层进入涂层内部，腐蚀金属基体，有效降低钢制螺栓连接件的残余疲劳寿命减少量。通过比较2024 铝合金连接结构在两种涂层表现出的腐蚀疲劳性能差异，纳米涂料对钢制螺栓试验件的防护效果更好。说明纳米涂层在发生轻微破坏后，能通过对基底金属的钝化作用和自修复作用仍然对结构有较好的防护作用。当纳米涂层表面出现较大裂纹或者较严重破坏后，自身无法修复，不能有效防护结构。因此，通过研究2024 铝合金两种连接结构在5%NaCl 盐雾环境下的腐蚀性能特点，综合分析金属结构的连接形式和受载特点，合理选用防护涂层体系，能有效增加防护涂层防护效果，提高2024 铝合金连接结构在5%NaCl 盐雾环境下的残余疲劳寿命值。

4 结论

1） 5%NaCl 盐雾环境对于铝合金连接结构的残余疲劳寿命影响较大，在盐雾环境和载荷的共同作用下，腐蚀破坏紧固件连接部位的涂层，引起紧固件连接部位发生腐蚀，导致结构疲劳寿命降低。

2）相较于2024 铝合金铝制铆接结构，钢制螺接结构在0.3P破坏的疲劳载荷作用下，钢制螺接结构在5%NaCl 盐雾环境下的腐蚀损伤较少，对残余寿命的影响较小。

3）通过分析纳米涂层和传统涂层（TB06-9 底漆+TS96-71 面漆）的防护性能、连接形式、腐蚀环境和载荷作用，防护涂料的选取等因素对连接结构腐蚀防护性能的影响较大。