6061铝合金在海洋大气腐蚀环境下的腐蚀行为

刘秋颖,刘宝玉,肖宝靓,陈 龙,杨 波

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

铝合金具有密度低、强度高、导电导热性好、易加工成型和表面处理等特点,广泛应用于在航空、交通、海洋船舶、能源等领域[1]。其中6061铝合金是Al-Mg-Si系铝合金,具有优良的耐腐蚀性和加工焊接性能,可用作飞机蒙皮、机身框架结构等部位。由于飞机服役区域广,面临的腐蚀环境复杂,特别是高Cl-浓度和高湿度的海洋大气环境,航空材料的耐腐蚀性将直接影响飞机的安全性[2-3]。因此,本文以6061-T6铝合金为研究对象,通过盐雾腐蚀试验模拟海洋大气性气候[4],采用腐蚀动力学、腐蚀坑深、宏观形貌和微观形貌分析,研究6061铝合金在海洋大气环境中的腐蚀特性及机理[5]。

1 试验材料与方法

采用ARL-MA-283直读光谱仪定量分析6061-T6铝合金的化学成分,结果见表1。

表1 6061-T6铝合金的化学成分(质量分数,%)

本试验化学药品均为分析纯试剂。去离子水在25 ℃时电导率为1.986 μs/cm,pH值为5.89。首先使用去离子水溶解氯化钠,浓度为50g/L,密度为1.031 g/mL;然后使用盐酸调整溶液的pH值,最终盐雾箱内收集的溶液pH值为6.92。按照标准GB/T 10125—2012中NSS试验进行海洋大气腐蚀环境模拟[6],具体盐雾腐蚀试验参数见表2。

根据标准ASTM G1要求,称量20 g三氧化铬并量取50 mL磷酸,溶于去离子水中,配制成1 L的溶液。溶液在电热恒温水浴锅中加热至90 ℃后,将试样放入溶液中恒温浸泡7～10 min,再放入浓硝酸中浸泡2～5 min去除剩余的腐蚀产物,最后用去离子水清洗。除去腐蚀产物的试样在65 ℃烘箱中烘干15 min后,放入干燥器中冷却至室温。随着腐蚀产物的增多,适当延长试验时间。

2 试验结果与分析

2.1 腐蚀动力学分析

从金属质量损失的角度研究金属的腐蚀动力学,是分析金属及合金耐腐蚀性能的评价方法。计算公式如下:

(1)

式中:v为腐蚀速率(mm/a);W为质量损失(g);S为样品表面积(cm2);ρ为金属密度(g/cm3);t为试验时间(h);K为常数。

图1为6061-T6铝合金在模拟海洋大气环境下的腐蚀速率变化曲线[4]。由图1可知,腐蚀时间少于400 h时,随着腐蚀时间的延长,腐蚀速率逐渐降低;腐蚀时间为400～600 h时,腐蚀速率基本趋近于零;腐蚀时间大于600 h时,腐蚀速率增加。这是因为在腐蚀试验初期,盐雾中的Cl-能较快吸附在6061铝合金基体表面,并穿透氧化膜,形成点蚀坑导致前期腐蚀速率较大;随着腐蚀时间的延长,在铝合金表面生成非常致密的腐蚀产物,对基体起着保护的作用,阻碍了Cl-继续渗透,导致腐蚀速率逐渐降低,直至趋近于零;腐蚀时间超过600 h后,腐蚀产物逐渐疏松,对基体的保护作用减弱,导致腐蚀后期的腐蚀速率增大。

图1 腐蚀速率变化曲线

2.2 表面形貌分析

图2为6061铝合金在模拟海洋大气环境中经过不同腐蚀时间的表面形貌。由图2可知,点蚀是6061铝合金在海洋大气腐蚀环境中的典型腐蚀特征。腐蚀时间少于600 h时,腐蚀形态主要为细小点蚀,并且随着腐蚀时间的延长而增加。腐蚀时间超过600 h后,点蚀坑逐渐增大,这主要是由于腐蚀产物逐渐疏松,这种疏松结构的腐蚀产物对铝合金基体的保护作用减弱,使点蚀坑逐渐向横向(坑蚀直径)和纵向(坑蚀深度)扩展,铝合金的主要腐蚀形态逐渐向均匀腐蚀过渡。

(a)200 h;(b)400 h;(c)600 h;(d)1000 h

2.3 腐蚀坑深分析

图3为6061铝合金在模拟海洋大气环境中经过不同腐蚀时间的腐蚀坑深度,反映了点蚀的生成与发展的过程。Mg2Si是6061铝合金主要析出相,其点位相对铝合金更负,作为阳极会优先溶解。因此,6061铝合金在海洋大气环境的腐蚀前期,点蚀首先发生在Mg2Si第二相颗粒处;随着腐蚀时间的延长,6061铝合金表面的腐蚀坑深度不断增加,但是这些点蚀坑的体积仍比较小;腐蚀时间超过600 h后,点蚀坑的体积大幅度增长,主要是因为该阶段产生的腐蚀产物疏松,使点蚀坑逐渐向横、纵向扩展。

(a)200 h;(b)400 h;(c)600 h;(d)1000 h

2.4 微观形貌分析

图4为不同盐雾腐蚀试验后6061铝合金的微观形貌。由图4可知,6061铝合金在腐蚀前期,表面形成较为致密的腐蚀产物;随着腐蚀时间延长至600 h,腐蚀产物不断增厚,形成龟裂状的腐蚀产物,并覆盖于整个试样表面;随着腐蚀时间的进一步延长,片层状腐蚀区域变细、变多,出现堆积,由于内应力,局部区域片状腐蚀产物开始脱落,表面开始形成团絮状的腐蚀产物,试样表面产物出现分层现象,这种腐蚀产物疏松,对基体的保护作用较低。

(a)200 h;(b)600 h;(c)1000 h

3 结论

1) 6061铝合金在模拟海洋大气腐蚀环境中,腐蚀前期,腐蚀产物对基体能够起到保护作用,腐蚀速率随着腐蚀时间的延长逐渐降低,直至趋近于零;腐蚀时间延长至600 h后,由于腐蚀产物疏松,对基体的保护作用较低,腐蚀速率又逐渐增大;

2) 6061铝合金在模拟海洋大气腐蚀环境中,腐蚀前期主要以点蚀为主;腐蚀后期的主要腐蚀形态由点蚀逐渐向均匀腐蚀过渡。