2E12铝合金服役环境下的损伤行为与耐损伤微观结构的研究

论文摘要

飞机的寿命和可靠性要求航空铝合金具有优良的耐疲劳及腐蚀损伤性能,合金微观结构与合金耐损伤性能有着密切关系。本文利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜、疲劳试验机、蠕变试验机以及电化学综合测试仪等设备系统地研究了2E12合金在服役温度和腐蚀环境下的疲劳、蠕变及腐蚀损伤行为,分析和探讨了微观结构在合金耐损伤中的影响和作用机制,本论文的主要研究内容及结果如下:2E12合金具有良好的力学性能和疲劳性能,常规力学性能和抗疲劳裂纹扩展性能基本达到目前报道2524-T3合金相关性能要求。运用疲劳损伤谱的相关理论,并综合考虑裂纹闭合效应的影响,建立了2E12合金R=0.1和R=0.5条件下的疲劳损伤谱,并对合金的裂纹扩展行为进行预测。探讨了温度对合金疲劳寿命及断裂机制的影响,温度升高,合金的疲劳性能降低,低温条件下位错运动的阻力较大,位错运动主要是以滑移为主;室温和高温条件下,位错运动需要克服的能垒降低,位错发生缠绕和攀移,同时在晶界处出现位错堆积,导致晶界的变形程度增加,断口以穿晶断裂为主同时伴随局部沿晶断裂。研究了合金在100℃-150℃条件下的蠕变行为,合金具有较高的蠕变应力指数,考虑门槛应力的影响,采用位错攀移模型对合金的蠕变行为进行解释,门槛应力值随着温度的升高而降低,合金的蠕变行为符合不完全回复蠕变,为应力辅助下的位错管扩散机制。在NaCl溶液和EXCO溶液中,2E12合金的耐腐蚀性能要优于传统的2024铝合金,盐水溶液中合金的腐蚀以点蚀为主,剥落腐蚀试验中,合金腐蚀动力学过程包括点蚀的诱导形成,点蚀发展及严重点蚀向轻微剥蚀发展,利用交流阻抗和等效电路分析和解释了合金表面的界面状态和腐蚀的微观过程。合金中Al2Cu和Al7Cu2（Fe,Mn）杂质相主要作为阴极。而S相腐蚀微观过程由三阶段组成,在浸泡初期S相表现为阳极相,合金中的主要组分特别是Mg原子发生去合金化;随Mg原子含量降低,Cu原子的相对含量升高,S相转变为阴极,周围基体发生阳极溶解;最终当S相与基体连接中断时,S相发生脱落。自然时效条件下,合金晶界和晶粒内部的元素分布较为均匀,晶界对合金腐蚀的影响较小。在潮湿气体和盐雾条件下的裂纹扩展速率要快于室温空气条件下的裂纹扩展速率,疲劳断口形貌呈现出更多的脆性裂纹扩展特征。在腐蚀介质条件下,腐蚀介质与铝反应生成活性氢原子向塑性区扩散,导致塑性区发生氢脆,同时腐蚀诱导的阳极溶解降低了合金的裂纹扩展性能。通过在电解质中加入添加剂,延长电解充氢时间,静态电解充氢后合金表现出一定的氢脆,电解充氢后2E12合金的强度并没有明显的变化,但伸长率降低,静态电解充氢14天,塑性损失为12%。拉应力对氢的扩散起到加速作用,合金在较短的时间内显示出氢脆的特征,合金断口仍显示为韧性断口特征,总体上2E12合金的氢脆敏感性较低。固溶处理促进了粗大过剩相的溶解,但由于2E12合金中Cu、Mg元素含量较高,即使采用长时间固溶处理,合金中仍有相当多数量的过剩相无法溶解。利用强化固溶处理,促进了过剩相的溶解,强化固溶2小时后,合金的稳态裂纹扩展速率降低了约40%。但在固溶处理过程中基体中的合金元素向包铝层发生明显的扩散,导致包铝层耐腐蚀性能降低,因此强化固溶处理在改善包铝合金性能上的作用是非常有限的,对于不包铝合金可以采用强化固溶提高疲劳性能。预变形提高了合金的强度,降低了合金的塑性,而腐蚀性能变化并不显著。按照航空标准生产大规格T3态板材比T4态合金屈服强度提高了15%,伸长率仅降低了2%,合金的疲劳裂纹扩展性能基本相同,腐蚀性能没有明显差别,总体上综合力学性能要优于T4态合金,通过预变形处理工艺改善合金性能是比较有效的手段。人工时效处理促进析出相的析出,合金的强度提高,经形变热处理可获得更为细小均匀的析出相,晶界处无析出带变窄,强度更高,但塑性降低。析出相的析出和晶界处无析出带的出现导致人工时效处理后合金的耐腐蚀性能显著降低,按照剥落腐蚀标准判断均达到严重腐蚀的程度。研究先低温后高温双级时效处理对合金疲劳裂纹扩展性能的影响,结果发现欠时效处理形成的GPB区+S″可以降低合金的疲劳裂纹扩展速率,提高了合金的疲劳裂纹扩展性能,欠时效处理导致合金的耐腐蚀性能有所降低,合金的腐蚀性能接近2024合金。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 2×24铝合金的发展及研究现状
• 1.2.1 2024铝合金的发展及应用
• 1.2.2 2124-2424铝合金的发展及应用
• 1.2.3 高损伤容限2524铝合金的研究及应用
• 1.2 服役环境对航空铝合金耐损伤行为的影响
• 1.2.1 温度对合金疲劳损伤行为的影响研究
• 1.2.2 腐蚀介质对合金腐蚀行为的影响研究
• 1.2.3 铝合金腐蚀疲劳行为研究
• 1.3 微观结构对航空铝合金疲劳损伤行为的影响
• 1.3.1 晶粒对合金疲劳损伤行为的影响
• 1.3.2 粗大第二相对合金疲劳损伤行为的影响
• 1.3.3 中间尺寸第二相对合金疲劳损伤行为的影响
• 1.3.4 析出相对合金疲劳损伤行为的影响
• 1.4 热处理制度对合金微观组织及性能的影响
• 1.4.1 固溶处理对合金组织及性能的影响
• 1.4.2 预变形处理对合金组织及性能的影响
• 1.4.3 时效处理对合金组织及性能的影响
• 1.5 项目的来源及研究内容
• 第二章 实验方案及分析测试手段
• 2.1 研究路线
• 2.2 实验合金的制备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 疲劳寿命试验
• 2.3.2 疲劳裂纹扩展试验
• 2.3.3 蠕变试验
• 2.3.4 电化学腐蚀试验
• 2.4 分析测试手段
• 2.4.1 力学性能测试
• 2.4.2 差热分析
• 2.4.3 金相分析
• 2.4.4 扫描电镜观察
• 2.4.5 X射线衍射分析
• 2.4.6 透射电镜观察
• 第三章 温度对2E12合金疲劳和蠕变行为的影响机理
• 3.1 2E12合金的微观组织及力学性能
• 3.2 2E12合金的室温疲劳性能与疲劳损伤谱
• 3.2.1 合金的室温疲劳强度
• 3.2.2 合金的室温疲劳裂纹扩展性能
• 3.2.3 合金的疲劳损伤谱
• 3.3 温度对2E12合金疲劳性能的影响机制
• 3.3.1 温度对合金疲劳性能的影响
• 3.3.2 合金的疲劳断口分析
• 3.3.4 疲劳试样的TEM分析
• 3.3.5 温度在合金疲劳损伤中的影响机理
• 3.4 温度对2E12合金蠕变行为的影响研究
• 3.4.1 合金的蠕变行为
• 3.4.2 合金的蠕变方程
• 3.4.3 2E12合金的蠕变本构方程
• 3.4.4 蠕变试样的TEM分析
• 3.4.5 合金的蠕变机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 2E12合金的腐蚀行为研究
• 4.1 2E12在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为研究
• 4.1.1 合金在NaCl溶液中的全浸实验
• 4.1.2 合金在NaCl溶液中的腐蚀电化学行为
• 4.2 2E12在EXCO溶液中的腐蚀行为研究
• 4.2.1 合金的剥落腐蚀等级评定
• 4.2.2 合金在EXCO溶液中腐蚀电化学行为
• 4.2.3 合金在EXCO溶液中腐蚀动力学过程
• 4.3 2E12合金微观组织腐蚀机理研究
• 4.3.1 包铝层对2E12合金腐蚀性能的影响
• 4.3.2 粗大S过剩相腐蚀机理研究
• 4.3.3 晶界对2E12合金腐蚀性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 2E12合金腐蚀疲劳与氢脆机制研究
• 5.1 2E12合金在潮湿气体环境下的疲劳裂纹扩展行为
• 5.1.1 潮湿气体条件下合金的疲劳裂纹扩展性能
• 5.1.2 合金疲劳断口形貌分析
• 5.1.3 潮湿气体环境下合金腐蚀疲劳损伤机理
• 5.2 2E12合金在盐雾腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展行为
• 5.2.1 盐雾环境下合金的疲劳裂纹扩展性能
• 5.2.2 合金疲劳断口形貌分析
• 5.2.3 盐雾环境下合金腐蚀疲劳损伤机理
• 5.3 2E12合金的氢脆行为研究
• 5.3.1 电解充氢实验
• 5.3.2 电解充氢对合金组织和力学性能的影响
• 5.3.3 应力作用下合金的氢脆行为
• 5.3.4 合金氢脆损伤机制
• 5.4 本章小结
• 第六章 固溶处理对2E12合金组织及耐损伤性能的影响
• 6.1 固溶处理制度的确定
• 6.2 固溶处理对合金组织和性能的影响
• 6.2.1 固溶处理间对合金微观组织的影响
• 6.2.2 固溶处理对合金力学性能的影响
• 6.2.3 合金断口形貌分析
• 6.3 强化固溶处理对合金组织和疲劳性能的影响
• 6.4 强化固溶处理中包铝层元素的扩散机理
• 6.5 本章小结
• 第七章 预变形处理对2E12合金组织及耐损伤性能的影响
• 7.1 预变形处理对合金组织和力学性能的影响
• 7.1.1 预变形处理对合金微观组织的影响
• 7.1.2 预变形处理对合金力学性能的影响
• 7.1.3 复合预变形处理对合金力学性能的影响
• 7.2 预变形处理对合金腐蚀性能的影响
• 7.2.1 预变形处理合金的腐蚀性能
• 7.2.2 预变形处理合金的腐蚀机制
• 7.3 2E12-T3态合金的组织和耐损伤性能
• 7.3.1 2E12-T3态合金的微观组织和力学性能
• 7.3.2 2E12-T3态合金的腐蚀性能
• 7.3.3 2E12-T3态合金的疲劳裂纹扩展性能
• 7.4 本章小结
• 第八章 人工时效对2E12合金组织及耐损伤性能的影响
• 8.1 时效处理对合金组织和力学性能的影响
• 8.2 时效处理对合金腐蚀性能的影响
• 8.2.1 合金剥落腐蚀程度的评定
• 8.2.2 合金的电化学腐蚀性能
• 8.2.3 合金的腐蚀机制研究
• 8.3 时效处理对合金疲劳裂纹扩展行为的影响
• 8.4 本章小结
• 第九章 结论
• 9.1 主要研究结论
• 9.2 本文的创新点
• 9.3 前景和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果