典型超强耐热镁合金部件服役环境寿命仿真分析

黄有旺，孙晓玲，杨文锦，陈 慧

(1. 北京航天长征飞行器研究所，北京 100076；2. 中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京 100076；3. 四川航天长征装备制造有限公司，四川成都 610100；4.上海格麟倍科技发展有限公司，上海 201100)

0 前 言

镁合金是所有金属结构材料中质量最轻的金属:是Fe的1/4,Al的2/3,与塑料相近。但镁合金耐蚀性差的特性严重阻碍了镁合金的工程化应用。随着对镁合金材料研究的深入,其耐蚀性能也得到了很大的提升,加之航天领域腐蚀环境的特性,使镁合金的使用成为可能[1-4]。随着计算机技术在腐蚀与防护科学领域的推广应用,对金属结构进行腐蚀分析和防护不再只是凭借试验技术,还可以通过建立相应的数值仿真模型,预测金属结构腐蚀损伤的初始化和生长行为,这对金属结构的安全评价、寿命评估以及防腐蚀设计都是极其重要的[5]。腐蚀仿真技术以服役环境和结构材料数据作为输入边界,通过设定不同的环境和材料数据,可实现镁合金结构件在不同服役环境下腐蚀状态的快速评估[6]。

为解决物理腐蚀试验存在的腐蚀寿命评价效率低、试验时间长等难题,本工作采用有限元腐蚀仿真软件Corrosionmaster对2种镁合金典型件在不同服役环境下的腐蚀状态进行快速模拟分析,评价镁合金材料在不同结构件和服役环境下的耐蚀性能。

1 试 验

1.1 试验材料

选用航天领域中2种常用典型部件为研究对象,典型部件中各部位的材料分布见表1,三维结构如图1所示。

图1 2种典型部件三维结构模型Fig. 1 Two typical component 3D structural model

表1 镁合金典型件各部件的材质与表面处理状态

1.2 试验方案

根据实际服役需求,使用Corrosionmaster仿真分析镁合金结构件服役17.5 a后各部件的腐蚀状态。镁合金结构件分别面临2种服役环境,服役环境信息如下:

(1)服役环境1 0.2 mg/L NaCl 溶液,正常情况下温度为20 ℃、相对湿度为65%,超标情况下温度为30 ℃、相对湿度80%,超标时长为6 h。

(2)服役环境2 2.0 mg/L NaCl 溶液,正常情况下温度为20 ℃、相对湿度为65%,超标情况下温度为30 ℃、相对湿度80%,超标时长为6 h。

根据服役环境中各因子随时间的变化规律,建立腐蚀仿真环境谱,如表2所示,以表2建立的腐蚀仿真服役环境谱为基础,重复设置17.5 a。

表2 腐蚀仿真服役环境谱(1 a)

1.3 试验测试

(1)极化数据测试 采用电化学工作站进行三电极体系测试,分别对HTM1和TC4进行极化数据测试。参比电极为Ag/AgCl,对电极为Pt。扫描范围:-300～300 mV(vsEOCP),扫描速率设为0.05 mV/s,需要说明的是由于服役环境的特殊性,本工作采用的电解质为0.2和2.0 mg/L的NaCl溶液[12],所得HTM1和TC4在2种环境下的Tafel曲线如图2所示。

图2 典型环境下HTM1与TC4的Tafel曲线Fig. 2 Tafel curves of HTM1 and TC4 in typical environments

(2)阻抗数据测试 根据BS EN ISO 16773 “涂料和清漆 高阻抗涂层样品的电化学阻抗频谱(EIS)”的相关规定对涉及的涂层进行EIS测试。按照常用阻抗谱测试电解池,测试面积为4 cm2,以3.5%的NaCl溶液为电解质,采用三电极系统进行测试,辅助为Pt电极、参比电极为Ag/AgCl。施加正弦扰动幅值为10 mV,测试频率范围为1.0×(102～104)Hz,对数扫频率,每倍频程8步,获取涂层的阻抗数据[13],所得镁合金电泳漆阻抗数据如图3所示。

图3 镁合金电泳漆阻抗测试结果Fig. 3 Impedance test results of magnesium alloy electrophoretic paint

获得电泳漆的阻抗数据后,通过现有的、不同时间段下的性能退化数据拟合涂层性能的衰减曲线,模拟电泳漆在17.5 a内的保护性能衰减情况。

2 仿真结果与分析

将第1章采集到的腐蚀仿真三维模型、仿真环境谱、极化数据与阻抗数据作为结构、环境和材料边界输入,分别仿真分析高强耐热镁合金典型结构件在不同结构和服役环境条件下使用5.0、10.0和17.5 a后的腐蚀状态。

2.1 服役环境1仿真结果

2种镁合金典型结构件在服役环境1中分别服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蚀深度如表3所示。

表3 典型镁合金结构件在服役环境1中的腐蚀状态

由表3可知,随着服役年限的延长,SY-01表面涂层的防护性能下降,导致TC4对和HTM1的电偶效应逐渐增强,造成HTM1的腐蚀程度逐年加剧。SY-02与SY-03的受保护效果逐渐增加,腐蚀速率有一定程度下降,这是因为HTM1受表面防护体系的保护,对TC4保护效果有限。由于SY-02比SY-03的表面积更大,在服役过程中与空气中氧的接触面更大,导致SY-02对SY-01的电偶效用也更显著[14]。2种典型镁合金结构件服役17.5 a后的腐蚀深度如图4所示,腐蚀电流密度如图5所示。

图4 服役环境1下17.5 a后各部件腐蚀深度Fig. 4 Corrosion depth of various components after 17.5 a in service environment 1

图5 服役环境1下17.5 a后各部件腐蚀电流密度Fig. 5 Corrosion current density of various components after 17.5 a in service environment 1

2.2 服役环境2仿真结果

2种镁合金典型结构件在服役环境2中分别服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蚀深度如表4所示。

表4 典型镁合金结构件在服役环境2中的腐蚀状态

由表4可知,随着服役年限的延长,2种镁合金结构件的腐蚀趋势与服役环境1相同,但腐蚀程度远大于服役环境1中的仿真结果,这是因为服役环境2中的盐雾浓度更大,导电性更大,电化学反应也更快,2种典型镁合金结构件服役17.5 a后的腐蚀深度如图6所示,腐蚀电流密度如图7所示。

图6 服役环境2下17.5 a后各部件腐蚀深度Fig. 6 Corrosion depth of each component after 17.5 a in service environment 2

图7 服役环境2下17.5 a后各部件腐蚀电流密度Fig. 7 Corrosion current density of various components after 17.5 a in service environment 2

此外,2种典型镁合金结构件中SY-02的金属损失小于SY-03,这可能是在服役环境2中,各部件的腐蚀程度加剧,而HTM1受表面防护体系的保护,对TC4保护效果有限,导致了各钛合金螺栓的金属损失发生了变化。

3 结 论

通过腐蚀仿真软件Corrosionmaster对高强耐热镁合金在使用环境1和2下服役5.0、10.0和17.5 a后的腐蚀状态进行模拟分析可知:

(1)在服役环境1下使用17.5 a后,2种结构件中镁合金的腐蚀深度小于50 μm;在服役环境2下使用17.5 a后,2种结构件中镁合金的腐蚀深度小于100 μm;上述结果满足实际使用要求,验证了镁合金-微弧氧化-电泳漆设计方案在这2种服役环境下的可行性;

(2)在服役过程中随着电泳漆保护性能的逐渐衰减,HTM1对TC4的保护效果也逐渐增加。由于受表面防护层的影响,HTM1的保护效果有限,导致TC4的腐蚀程度随服役年限的延长逐渐加剧;

(3)部件Ⅱ中TC4螺栓的腐蚀程度较部件Ⅰ中的低,这是因为部件Ⅱ中TC4螺栓的表面积更大,HTM1对其保护效应更好、腐蚀程度更轻。