不同时效态7150铝合金的剥蚀根源.pdf

5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i n 皿．c n 2 0 1 2 年3 期 d m 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．随m1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．略．0 1 5 不同时效态7 15 o 铝合金的剥蚀根源 梁智生，黄昌龙，徐海蓉 广州民航职业技术学院，广州5 1 0 4 0 3 摘要根据波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换修理B S 5 4 0 ．6 位置处T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金结构腐蚀 规律和采用T E M 获得的合金晶界微观组织结构，研究了T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金剥蚀根源。结果 表明T 7 7 态比T 6 态抗剥蚀性能好得多。T 6 态晶界T l 析出相分布连续，基体边缘无明显P F Z ，T 7 7 态 基体边缘P F Z 连续分布，晶界T l 析出相不连续。T 6 态和T 7 7 态的剥蚀根源分别为晶界1 l 析出相和P F Z 作为阳极被腐蚀溶解。 关键词波音7 3 7 ；剥蚀；时效态；田析出相；P F Z ；基体；原因 中图分类号T G1 4 6 ．1文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 3 一0 0 5 4 一0 4 E x f o l i a t i o nC o r r o s i o no r i g i no f715 0A l l o ya tD i f f e r e n tA g i n gS t a t e L I A N GZ h i s h e n g ，H U A N GC h a n g - l o n g ，X UH a i r o n g G u a n 舻h o uC i “lA 们a t i o nC o l l e g e ，G u a n g z h o u5 1 0 4 0 3 ，C 王l i n a A b s t r a c t T h ee x f o l i a t i o nf r a c t u r ec o r r o s i o n E F C o r i g i no f7 1 5 0a l l o ya td i f f e r e n ta g i n gs t a t e s T 6a n d T 7 7 w a si n v e s t i g a t e db a s e do nt h eE F Cl a w so fB o e i n g7 3 7k e e lb e a ml o w e rc h o r dr e p l a c e m e n ta r e aa t B S 5 4 0 ．6a n dt h em i c r o s t r u c t u r eo fg r a i nb o u n d a r yw i t hT E M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tT 7 7h a sb e t t e rr e s i s t a n c et oE F Ct h a nT 6 ．C o n t i n u o u s1p r e c i p i t a t ep h a s e se x i s to nt h eg r a i nb o u n d a r yo fT 6w i t hn oP F Z ． C o n t i n u o u sP F Za n dd i s p e r s e d1p h a s e sa r eo b s e r V e do nt h eg r a i nb o u n d a r yo fT 7 7 ．T h eE F C o r i g i n so fT 6 a n dT 7 7a r et h ec o r r o s i o no fWp h a s ea n dt h eP F Za sa n o d e ，r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s B o e i n g7 3 7 ；e x f o l i a t i o nc o r r o s i o n ；a g i n gs t a t e ；1p r e c i p i t a t ep h a s e ；P F Z ；m a t r i x ；r e a s o n 波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条为7 1 5 0 铝合金，是 新一代A l Z n - M g - C u 铝合金飞机结构材料[ 1 - 5 | ，在 波音7 3 7 、7 4 7 、7 7 7 等机翼蒙皮、龙骨梁、机翼和尾翼 大梁等重要结构上普遍采用，我国自主研发的 A 尉2 1 、C 9 1 9 等飞机重要结构也采用该合金。飞机 重要结构指传递飞行、地面或者增压载荷的关键结 构，一旦失效将导致飞机灾难性事故。 2 0 0 4 至2 0 0 9 年间，对中国民航1 4 年以上波音 7 3 7 飞机重要结构腐蚀状况进行的调研结果表 明[ 6 ] 波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条等7 1 5 0 铝合金结 构剥蚀 E F C 问题比较突出，不仅使营运人蒙受了 巨额经济损失，也严重危及飞机的飞行安全。 作者简介集智生 1 9 7 1 一 ，男，广东阳春人。讲师，硬士． 剥蚀是指沿辊压轧制的铝合金板材或者挤压成 型的型材晶粒拉长平面产生的分层状腐蚀[ 7 ] 。大量 腐蚀案例表明不同时效状态7 1 5 0 铝合金飞机结构 抗剥蚀能力不同。本文探讨波音7 3 7 龙骨梁下缘条 更换修理B S 5 4 0 ．6 处单级峰值时效态 T 6 态 和 R R A 三级时效态 T 7 7 态 7 1 5 0 铝合金飞机结构剥 蚀规律，并结合T E M 观察到的晶界微观组织结构， 明确T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的剥蚀根源，为飞 机设计以及维修阶段合理选择7 1 5 0 铝合金材料热 处理状态提供指导。 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 1 研究对象 波音7 3 7 飞机龙骨梁为典型盒式梁结构，由上 缘条、下缘条、腹板及腹板加强件组成。其中，下缘 条包括构型相同的左、右下缘条，材料均为T 7 7 态 7 1 5 0 铝合金[ 1 ] 。下缘条在运营过程中经常出现剥 蚀。下缘条严重剥蚀之后，往往需要通过更换修理 以恢复龙骨梁传力路线及设计承载能力。 更换修理是指将龙骨梁下缘条严重腐蚀段切断 并从飞机上拆下来报废，然后采用T 6 态或者T 7 7 态7 1 5 0 铝合金连接件，将T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的新 下缘条与保留在飞机上未腐蚀的旧下缘条连接起来 的修理方法。波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条B S 5 4 0 ．6 处为更换修理安装连接件的最佳位置，因此往往选 择在此处切断龙骨梁下缘条。更换示意图见图1 。 本文研究波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换修理 后，B S 5 4 0 ．6 处T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金连接件 1 、连接件2 以及龙骨梁下缘条的剥蚀根源。7 1 5 0 铝合金理论化学组分 ％ [ 8 ] Z n5 ．9 ～6 ．9 、M g2 ．O ～2 ．7 、C u1 ．9 ～2 ．5 、Z rO ．0 8 ～O ．1 5 、F eO ．1 5 、S i O ．1 2 、M nO ．1 0 、T i0 ．0 6 、C rO ．0 4 、其他O ．1 5 、A l 余。 2 图1波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换修理B S 5 4 0 ．6 处装配图‘1 ] F 唔1 I n s t a l l a t i o no fB ∞i n g7 3 7k ∞lb e a ml o w 盯c h o r d 他p I 扯e m 锄ta r 昀a tB S 5 4 0 ．6 2 研究方法 根据美国波音公司提供并经过美国联邦航空管 理局 F A A 批准、中国民用航空局 C A A C 认可的 波音7 3 7 结构修理手册 S R M 中修理方法，图1 所示波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换修理B S 5 4 0 ．6 处连接件l 和连接件2 的材料均应该为T 6 态7 1 5 0 铝合金[ 1 ] 。实践证明T 6 态7 1 5 0 铝合金连接件往 往在修理完成后较短时间内就产生腐蚀，而连接件 安装区域T 7 7 态7 1 5 0 铝合金龙骨梁下缘条却很少 出现腐蚀。 为探究T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的腐蚀规 律，以海南航空股份有限公司波音7 3 7 机队为研究 对象，在满足波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条结构修理 要求的前提下，5 0 ％波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更 换修理B S 5 4 0 ．6 处连接件材料改用了T 7 7 态7 1 5 0 铝合金，其余5 0 ％波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换 修理B S 5 4 0 ．6 处连接件材料仍采用T 6 态7 1 5 0 铝 合金。2 0 0 4 年至2 0 0 9 年间，在海南航空股份有限 公司波音7 3 7 机队上总共完成了1 2 次在龙骨梁下 缘条B S 5 4 0 ．6 处切断的更换修理。典型案例如下 2 0 0 7 年1 月，海南航空股份有限公司注册号为 争2 9 6 3 的波音7 3 7 飞机龙骨梁左、右下缘条需要同 时在B S 5 4 0 ．6 处切断进行更换修理。由于龙骨梁 左、右下缘条B S 5 4 0 ．6 处连接件位于同一架飞机， 这就为在使用环境、载荷等条件完全相同前提下，对 比研究T 6 态和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的腐蚀规律提 供了很好的机会。因此，在昏2 9 6 3 飞机左下缘条更 换修理时，B S 5 4 0 。6 处连接件1 和连接件2 材料采 用了T 6 态7 1 5 0 铝合金；右下缘条更换修理时， B S 5 4 0 ．6 处连接件1 和连接件2 材料改用了T 7 7 态 7 1 5 0 铝合金。 波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更换修理B S 5 4 0 ．6 处采用的主要工艺流程如下L l j 1 在龙骨梁下缘条B S 5 4 0 ．6 处切断龙骨梁下 缘条，确保断口端面垂直于龙骨梁下缘条轴线； 2 拆下并报废需要更换的龙骨梁下缘条腐蚀 段，重新制作新的龙骨梁下缘条更换件； 3 高频涡流 H F E C 检查确认断口表面无损伤 后，沿断口边缘多切除1 ．0 1 6m m o ．0 4 英寸 ，以便 彻底清除H F E C 无法检查发现的断口边缘损伤。 确保断口边缘表面粗糙度不超过1 ．6p m 6 3 微英 寸 ； 4 选用T 6 态或T 7 7 态7 1 5 0 铝合金制作龙骨 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年3 期 梁下缘条更换修理B S 5 4 0 ．6 处连接件1 和连接件 2 5 对龙骨梁下缘条B S 5 4 0 ．6 处断口表面及连 接件表面进行喷丸处理； 6 对龙骨梁下缘条B S 5 4 0 ．6 处断口及连接件 表面进行阳极化处理后，分别喷涂一层环氧树脂底 漆和面漆； 7 在连接件和龙骨梁接合面之间涂上铬化密封 胶后再湿安装连接件，以防止接合面积聚水分导致 腐蚀； 8 待密封胶固化后，在修理区域喷涂一层水置 换型缓蚀剂。 3 研究结果 研究结果表明波音7 3 7 飞机龙骨梁下缘条更 换修理B S 5 4 0 ．6 处T 6 态7 1 5 0 铝合金连接件一般 经过2 4 个月会普遍存在较为严重的剥蚀，T 7 7 态 7 1 5 0 铝合金连接件一般不会存在腐蚀，T 7 7 态7 1 5 0 铝合金龙骨梁下缘条本身一般也不会出现腐蚀。 以昏2 9 6 3 飞机龙骨梁下缘条更换修理为例 2 0 0 9 年2 月 即修理完成后2 4 个月 检查发现龙骨 梁左、右下缘条B S 5 4 0 ．6 处腐蚀情况如图2 所示。 图2 表明左下缘条B S 5 4 0 ．6 处T 6 时效态7 1 5 0 铝 合金连接件已经存在严重剥蚀，T 7 7 时效态7 1 5 0 铝 合金龙骨梁下缘条却不存在任何腐蚀；右下缘条 B s 5 4 0 ．6 处T 7 7 时效态7 1 5 0 铝合金连接件以及龙 骨梁下缘条均不存在任何腐蚀。 由此可见，T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的抗剥蚀性能比 T 6 态的好得多。 图2 肛2 9 6 3 飞机龙骨粱左下缘条 a 和右下缘条 b 磷洛4 0 ．6 处腐蚀圈 F i g ．2C b m s i 帆c 蚰d Ⅲ蛆so fB ∞i n g7 3 7k ∞lb e a ml e f tl o w e rc h o r d a 蛐dr i g h tI o w 盯c h o r d b 他p I a ∞m 蛐ta 他aa tB S 5 4 0 ．6 4 分析与讨论 剥蚀是由于晶界析出相与相邻基体之间的电偶 腐蚀而导致的晶间腐蚀[ 9 ] 。剥蚀扩展机理与应力腐 蚀相似，扩展动力均来自腐蚀产物产生的锲力[ 1 2 | 。 铝合金要产生剥蚀，首先要与电解液直接接触} 其次 晶粒要被拉长。晶粒纵厚比越大、越扁平，剥蚀敏感 性就越高；最后要有沿晶界连续分布、优先腐蚀溶解 的阳极通道存在[ 1 3 - 1 4 ] 。 A l Z n ．M g ．C u 合金热处理时效后晶界组织包 括基体及其边缘的贫溶质区 P F Z 以及在晶界析出 的1 l 相[ 1 5 ] 。在5 3g ／LN a C l 3g ／LH 2 0 2 溶液中， 1 l 相的析出电位为一1 ．0 5V ，P F Z 电位为一o ．8 5V ， 而基体电位则是一o ．7 5V [ 16 1 。由此可见，在晶界析 出的电位与基体1 I 相电位相差较大，P F Z 与基体电 位相差较小。 采用8 5 ％甲醇和1 5 ％硝酸溶液分别对T 6 态 和T 7 7 态7 1 5 0 铝合金试片进行双喷减薄后 温度 控制在一3 0 ℃左右 ，其晶界显微组织如图3 所示。 图3 a 表明T 6 态7 1 5 0 铝合金基体边缘基本上 不存在P F Z ，在晶界析出的1 l 相呈连续链状分布，并 与基体直接接触。因此，电位较低的1 l 相容易作为 阳极被腐蚀溶解，并沿晶界形成连续的腐蚀通道。 由此可见，T 6 态剥蚀根源应为沿晶界连续链状分布 的1 l 析出相作为阳极被腐蚀溶解。 图3 b 表明T 7 7 态7 1 5 0 铝合金的1 l 析出相为 不连续点状分布，质点之间距离较大，无法形成连续 的腐蚀通道。但是，基体边缘存在一定厚度、连续分 布的P F Z 。因此，T 7 7 时效态7 1 5 0 铝合金剥蚀根源 为基体边缘连续分布的P F Z 作为阳极被腐蚀溶解。 由于P F Z 与基体之间的电位差比q 相与基体间的 小得多，因此T 7 7 态7 1 5 0 铝合金比T 6 态的抗剥蚀 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 性能好得多。 5结论 b 1 。馘i 穗一．灞滑 奠漂0 毳 r 鬣霉固∥乏 P } 鬯 图3T 6 态 a 和1 r 7 7 态 b 7 1 5 0 合金晶界区域组织结构 矾g ．3M i c r 峭t r 眦t u 北o f 也eg r a i nb o 衄d a r ya r 吩o fT 6 a 蚰d1 7 7 b 7 1 5 0a 0 y 1 T 7 7 时效态7 1 5 0 铝合金比T 6 时效态的抗 剥蚀性能好得多。选择波音7 3 7 飞机龙骨粱下缘条 更换修理连接件材料时，建议采用T 7 7 时效态7 1 5 0 合金，尽量避免采用T 6 时效态7 1 5 0 合金。 2 T 6 时效态7 1 5 0 铝合金剥蚀根源为晶界连 续分布的1 l 相作为阳极腐蚀溶解；T 7 7 时效态7 1 5 0 铝合金剥蚀根源为基体边缘连续分布的P F Z 作为 阳极腐蚀溶解。 参考文献 [ 1 ] B o e i n gI I l d u s t r y ． 7 3 7 3 0 0 ／4 0 0 ／5 0 0s t r u c t u r eR e p a i r M a n u a l [ S ] ．S e a t t l e B o e i n gI n d u s t r y ，2 0 0 9 ． [ 2 ] B 0 e i n gI I l d u s t r y ．7 3 7 ～6 0 0 ／7 0 0 ／8 0 0 ／9 0 0S t r u c t u r eR e p a i r M a n u a l [ S ] ．S e a t t l e B 0 e i n gI n d u s t r y ，2 0 0 9 ． [ 3 ] B o e i n g1 n d u s t r y ．7 5 7s t r u c t u r eR e p a i rM a n u a l [ s ] ．S e a t t l e B o e i n gI n d u s t r y ，2 0 0 9 ． [ 4 ] B o e i n gI n d u s t r y ． 7 6 7s t r u c t u r eR e p a i rM a n u a l [ s ] ．s e a t t l e B o e h gI n d u s t r y ，2 0 0 9 ． [ 5 ] B o e i n gI n d u s t r y ．7 7 7S t r u c t u r eR e p a i rM a n u a l [ s ] ．s e a t n e B o e i n gI I l d u s t r y ，2 0 0 9 ． [ 6 ] C i v i lA 、，i a t i o nA d m i n i s t r a t i o no fC h i n a ．A C l 2 1 6 5c o n t i n u i n gs t n l c t u r a li n t e g r i t yp r o g r a mf o ra i r p l a n e s [ S ] ． B e i j i n g C i v nA v i a t i o nA d m i n i s t r a t i o no fC h i n a ，2 0 0 5 ． [ 7 ] 戴晓元，夏长清，孙振起，等．A 1 ．9 ．o z n - 2 ．5 M g _ 1 ．2 c u - o ．1 2 s c - o ．1 5 z r 合金的组织和性能[ J ] ．中国有色金属 学报，2 0 0 7 ，1 7 3 3 9 6 4 0 2 ． [ 8 ] B 0 e i n gI n d u s t r y ．B 0 e i n gM a t e r i a lS p e c i f i c a t i o nB M s 7 2 5 7 [ S ] ．s ∞t t l e B o e i n gI n d u s t r y ，1 9 9 3 1 4 ． [ 9 ] R o b i n s o nMJ ，J a c k s o nNC ． T h ei n f l u e n c eo fg m i n s t r u c t u r ea n di n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o nr a t eo ne x f o l i a t i o n a n ds t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n go fh i g hs 仃e n g t hA I C 巾 M ga U o y 8 [ J ] ．C o r r o s i o ns c i e n c e ，1 9 9 9 ，4 1 5 1 0 1 3 1 0 2 8 ． [ 1 0 ] K e l l yDJ ，R o b i 邶o nMJ ．I n f l u e n c eo fH e a tT r e a t m 蛐t a n dG r a i nS h a D eo nE 】【f o l i a t i o nC o r r 0 8 i o no fA l - L iA l l o y8 0 9 0 [ J ] ．c o r r o s i o n ，1 9 9 3 ，4 9 1 0 7 8 7 7 9 5 ． [ 1 1 ] M c 姐u g h t a nD ，w o r s f o l dM ，R o b i n s o nMJ ．C o r r o s i o n p r o d u c tf o r c em e a s u r e m e n t si nt h es t u d yo fe 】【f o l i a t i o n a n ds t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n gi nh i g hs t r e n g t ha l u m i n 啪a l l o y 8 [ J ] ．C o r r o s i o ns c i e n c e ，2 0 0 3 ，4 5 1 0 2 3 7 7 2 3 8 9 ． [ 1 2 ] R o b i n s o nMJ ．M a t h e 眦t i c a lm o d e l i n go fe x f o l i a t i o n c o r r o S i o ni nh i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y s [ J ] ．C o r r o s i o nS c i e n c e ，1 9 8 2 ，2 2 8 7 7 5 7 9 0 ． [ 1 3 ] K e l l yDJ ，R D b i n s o nMJ ．I n f l u 印c eo fH ∞tT r 髓t m 蚰t 蚰dG m i nS h a D eo nE x l o l i a t i o nC o r r o s i o no fA l L iA l l o y8 0 9 0 [ J ] ．C o r r o s i o n ，1 9 9 3 ，4 9 1 0 7 8 7 7 9 5 ． [ 1 4 ] 黄昌龙，徐海蓉．剪应力在波音7 3 7 C L 飞机龙骨粱剥 蚀中的作用[ J ] ．南昌航空大学学报自然科学版， 2 0 1 1 ，2 5 1 2 7 3 2 ． [ 1 5 ] 张新明，张小艳，刘胜胆，等．固溶后降温预析出对 7 A 5 5 铝合金力学及腐蚀性能的影响[ J ] ．中南大学学 报自然科学版，2 0 0 7 。3 8 5 7 8 9 7 9 4 ． [ 1 6 ] D a v i e sJRC o r r 0 8 i o no fa l u m i n 哪a n da l u m i n 啪a l l o y s [ M ] ．O h i o ，A S MI n t e r 衄t i o M l 。1 9 9 9 2 8 2 9 ． 万方数据