分享：水下訓(xùn)練服鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的失效形式

水下訓(xùn)練用艙外航天服（以下簡稱水下訓(xùn)練服）是航天員在地面水下實驗室模擬失重狀態(tài)進(jìn)行出艙活動任務(wù)訓(xùn)練的專用航天服[1]。為保證訓(xùn)練效果,水下訓(xùn)練服是在“飛天”艙外航天服基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的,硬結(jié)構(gòu)為某牌號鋁合金薄壁殼體,狀態(tài)基本保持一致。鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)在服役過程中,在持續(xù)內(nèi)壓力作用下,腐蝕風(fēng)險顯著增加[2-3],出現(xiàn)了微泄漏問題。水下訓(xùn)練服訓(xùn)練保障任務(wù)多,但研制成本極高,安全性、可靠性指標(biāo)要求嚴(yán),針對性的對其進(jìn)行故障模式與失效機(jī)理研究,探明失效機(jī)理,提出有效的防護(hù)措施,對延長水下訓(xùn)練服使用壽命,降低訓(xùn)練成本,提高訓(xùn)練安全性、可靠性和穩(wěn)定性都十分必要。 

筆者結(jié)合水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)實際使用過程中出現(xiàn)的微泄漏問題,采用鋁合金試樣,在實驗室條件下模擬水下訓(xùn)練服實際使用時遇到的干濕交替、恒應(yīng)力等工況,通過表面腐蝕形貌觀察、拉伸性能測試、斷口分析等方法,探明了薄壁結(jié)構(gòu)的故障模式與失效機(jī)理,以期為后續(xù)水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)優(yōu)化設(shè)計提出依據(jù)。 

1.   試驗

1.1   試驗材料

采用與水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)為同批次的某牌號Al-Mg合金板材作為試樣材料,試樣尺寸為1.5 mm×20 mm×150 mm。 

1.2   試驗方法

在干濕交替實驗箱中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗。根據(jù)地面訓(xùn)練水下實驗室水質(zhì)條件模擬水下訓(xùn)練服使用的實際工況（以下簡稱模擬水下訓(xùn)練服工況）,濕態(tài)環(huán)境介質(zhì)為含0.3 mg/L氯離子,pH為8的水溶液。加載條件：采用兩點彎曲法,根據(jù)GB/T 15970.2-2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗　第2部分：彎梁試樣的制備和應(yīng)用》,恒定施加100 MPa的應(yīng)力載荷（參考水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)的實際平均受力）。試驗過程：將鋁合金試樣在濕態(tài)環(huán)境中全浸潤10 min然后置于干態(tài)空氣中50 min,作為一個周期,交替循環(huán),箱體溫度保持30 ℃,相對濕度為80%~90%,試驗時間分別為7,21,35,42 d。 

采用Nova NanoSEM450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察腐蝕試驗后試樣的表面形貌。根據(jù)HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗方法》,采用MTS Landmark 100型材料拉伸試驗機(jī)對腐蝕不同時間的鋁合金試樣進(jìn)行拉伸-斷裂力學(xué)性能測試,拉伸速率為5 mm/min,試驗后分析試樣的抗拉強(qiáng)度,并采用掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   表面腐蝕形貌

如圖1所示：試驗7 d后,鋁合金試樣表面逐漸出現(xiàn)深度較淺的點蝕形貌；試驗21 d后,表面點蝕密度與深度逐漸增加,在點蝕坑周圍出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積,點蝕坑已有一定的深度；試驗35 d后,隨著腐蝕坑深度的擴(kuò)展,在應(yīng)力加載的作用下,試樣表面沿著晶粒延長方向形成裂紋,腐蝕坑和裂紋周圍都生成了乳白色的腐蝕產(chǎn)物；試驗42 d后,試樣表面腐蝕程度進(jìn)一步加重,點蝕坑周圍微裂紋數(shù)量增加,且在進(jìn)一步擴(kuò)展,點蝕坑間出現(xiàn)貫穿裂紋并逐漸相交,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕形貌。結(jié)果表明,該試樣的表面腐蝕形貌與鋁合金在含Cl-環(huán)境中的腐蝕形貌相符。 

圖  1  鋁合金試樣在模擬水下訓(xùn)練服工況下經(jīng)不同時間應(yīng)力腐蝕試驗后的表面腐蝕微觀形貌

Figure  1.  The surface corrosion morphology of aluminum alloy specimens after different periods of time stress corrosion tests under simulated underwater training conditions

電解質(zhì)溶液中存在能破壞鈍化膜活性的Cl-,點蝕是由活化陰離子吸附在表面鈍化膜中的某些缺陷處引起的。當(dāng)達(dá)到點蝕電位時,表面膜薄弱區(qū)域的電場強(qiáng)度較高,使Cl-穿透薄膜形成氯化物。鈍化膜局部區(qū)域被破壞,膜破損區(qū)域的金屬基體成為陽極,其電流高度集中,未破損的膜成為陰極,形成腐蝕電池加速腐蝕,形成蝕孔[4]。當(dāng)蝕孔內(nèi)的氧耗盡,孔內(nèi)只進(jìn)行陽極反應(yīng),很快就積累了帶正電的金屬離子,并發(fā)生如式（1）所示的反應(yīng),形成的自催化作用加速了腐蝕進(jìn)程。 

應(yīng)力對點蝕的萌生和生長起到誘導(dǎo)和推動作用[5]。隨著試驗周期的延長,點蝕越來越密集,點蝕坑不斷向縱深方向發(fā)展,腐蝕逐漸加重。在蝕坑內(nèi)部應(yīng)力集中的作用下,裂紋在點蝕坑處萌生,且裂紋數(shù)量逐漸增加[6]。隨著試驗的進(jìn)行,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,出現(xiàn)貫穿的趨勢,最終導(dǎo)致材料斷裂。 

2.2   拉伸性能

從圖2可以看出,隨著試驗的進(jìn)行,試樣的抗拉強(qiáng)度在不斷降低。由表1可知,經(jīng)7,21,35,42 d應(yīng)力腐蝕試驗后,鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度相比材料進(jìn)廠復(fù)驗時的分別下降4.24%、6.77%、11.65%、13.55%,說明隨著腐蝕時間的延長,材料的抗拉強(qiáng)度逐漸下降[7]。 

圖  2  在模擬水下訓(xùn)練服工況下經(jīng)不同時間應(yīng)力腐蝕試驗后鋁合金試樣的拉伸力-位移曲線

Figure  2.  The tensile force and displacement curves of aluminum alloy samples after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

2.3   斷口形貌

由圖3可見：未腐蝕的鋁合金試樣斷口亞表面位置韌窩較多,且分散較為均勻,為典型的韌性斷裂形貌,說明鋁合金拉伸過程中受力狀態(tài)較為均勻,且力學(xué)性能較好；經(jīng)過7 d腐蝕試驗后,試樣斷口上有明顯的點蝕坑,點蝕坑周圍和近表層區(qū)域呈塊狀斷面,遠(yuǎn)離點蝕坑的區(qū)域有明顯的頸縮現(xiàn)象,斷口表面分布著較多的韌窩,斷面上發(fā)生了明顯的塑性流動；經(jīng)過21 d腐蝕試驗后,試樣出現(xiàn)了明顯“V”形塊狀斷面,“V”形斷面與點蝕坑的形狀吻合,說明斷口位置由于點蝕作用發(fā)生力學(xué)性能下降,在拉伸應(yīng)力下萌生裂紋并迅速擴(kuò)展,最終誘發(fā)斷裂失效；經(jīng)35 d和42 d腐蝕試驗后,隨著腐蝕時間的延長,點蝕坑尺寸逐漸增大,試樣的塊狀斷面面積逐漸增大,說明點蝕坑對斷口的影響進(jìn)一步加深。 

圖  3  在模擬水下訓(xùn)練服工況下經(jīng)不同時間應(yīng)力腐蝕試驗后鋁合金試樣的拉伸斷口形貌

Figure  3.  Tensile fracture morphology of aluminum alloy specimen after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

綜上所示,隨著腐蝕試驗時間的延長,點蝕坑越來越深,對鋁合金試樣斷口的影響逐漸加深,以點蝕坑為中心向周圍輻射的斷面面積逐漸增大,這與拉伸試驗結(jié)果相吻合。可以推斷,隨著腐蝕試驗時間的延長,材料抗拉強(qiáng)度不斷下降,在點蝕坑處會萌生裂紋,在恒應(yīng)力的作用下,裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致試樣斷裂。 

3.   結(jié)論

（1）水下訓(xùn)練服鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)在使用過程中易發(fā)生點蝕,點蝕是造成基體材料抗拉強(qiáng)度下降的主要原因,在各種工況的應(yīng)力（充壓、裝配等）作用下,點蝕坑處萌生微裂紋,從而在實際使用過程中出現(xiàn)的微泄漏問題。 

（2）針對上述問題,提出以下建議：對于裸露在水槽中的水下訓(xùn)練服薄壁結(jié)構(gòu),需要增加陽極化或緩蝕劑處理工藝進(jìn)行防護(hù)；對于使用中出現(xiàn)磕碰破壞陽極化層的部位,及時采用硬膜緩釋劑進(jìn)行修復(fù)；增加水下訓(xùn)練服薄壁承壓結(jié)構(gòu)的厚度；在使用后增加純凈水沖洗操作,去除金屬表面殘留的Cl-,并快速干燥,嚴(yán)格控制存放環(huán)境的溫度和濕度。

文章來源——材料與測試網(wǎng)