CC BY
65
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№103
УДК 620.193
ВЛИЯНИЕ ПРЕДЫСТОРИИ НАГРУЖЕНИЯ НА КОРРОЗИЮ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Н.В. БАРУЛЕНКОВА, В.Ю. ВАСИЛЬЕВ, Е.С. КУЛЕШОВА, М.А. СЫЧЕВА, В.С. ШАПКИН По заказу редакционной коллегии
Проведены коррозионные исследования для выявления влияний лабораторных наработок на коррозию сплава. Показано неоднозначное влияние циклических наработок на скорость коррозии. Гармонический характер изменения зависимости следует учитывать при разработке длительного прогноза возможности коррозионных разрушений.
В настоящее время длительный прогноз возможных коррозионных разрушений составляется на основании закономерностей протекания коррозии на материалах, не подвергнутых действию нагрузок функционирования. Однако серия предыдущих работ показала, что после лабораторных наработок и эксплуатации сплавов существенно изменяются параметры, ответственные за коррозию.
Цель данной работы - изучить влияние предварительных нагружений после реальной эксплуатации и лабораторных наработок, имитирующих условия полета самолетов на коррозионную стойкость алюминиевого сплава Д16АТ.
Методическая часть
В работе исследовали образцы сплава Д16АТ, вырезанные на стадии ремонта из панелей самолета Ту-154 после эксплуатации 11, 15, 20 лет. Возможную деградацию свойств образцов после различных лабораторных наработок: 10, 30, 60, 100, 120 тыс. циклов, 0 циклов при напряжении 6 кг/мм определяли на образцах (50x20x2 мм), вырезанных из листа 500x500x2 мм.
Рис. 1. Схема режима нагружения по программе “Типовой полет
Лабораторные наработки в виде циклических нагружений выполняли на электрогидравли-ческом комплексе МТБ производства США. В качестве базовой программы нагружения использовали режим "Типовой полет" самолета Ту-154, имитирующий воздействия нагрузок при
среднестатистическом полете самолета [1]. Принимали, что один типовой полет, состоящий из 32 циклов, соответствовал одному циклу от нулевого нагружения по Одингу (рис.1).
При лабораторных наработках использовали образцы с плакирующим слоем и без него. В ряде случаев плакировку удаляли согласно ГОСТ 9.021-74 методом послойного травления в
10 % NaOH при температуре 60-70 0С в течение 3-10 мин. и осветляли в 25 % HNO3. Поверхность образцов, вырезанных из панелей самолетов, была оксидированной.
Ускоренные коррозионные испытания проводили в камере солевого тумана (КСТ) марки VSN 500 при Т= 35-36 0С и влажности 98 % в течение 30 сут. в следующем активном режиме:
2 мин разбрызгивание 5 % раствора NaCl и 18 мин перерыв.
Для электрохимических исследований использовали потенциостаты “IPC-Micro”, ПИ-50-1 и растворы 0,01 M KSCN и 12 % H2SO4. Выбор последнего раствора был обусловлен тем, что только в нем удалось получить протяженную область пассивного состояния с характерными пиками селективного растворения.
Для оценки характера коррозионных поражений проводили металлографический анализ при помощи лазерного модуляционного микроскопа МИМ-2.1 лаборатории “Амфора” (х1700). Интерференционный микроскоп МИМ-2.1 является оптическим микроскопом с латеральным разрешением 15-80 нМ, дающим возможность строить 3Б-профиль объекта с нанометровой точностью. Микроструктуру сплава изучали также при помощи сканирующего электронного микроскопа CamScan mark 4 с микроанализатором Link Analitical LZ-5 (х1500).
Обсуждение результатов
Широко применяемый сплав Д16АТ обладает высокой прочностью и пластичностью [2]. Химический состав сплава Д16АТ, %: Al-основа; Cu 3,8-4,9; Mg 1,2-1,8; Mn 0,3-0,9; Fe 0,05; Si 0,05; Zn 0,01; Ni 0,01. Наличие меди в составе сплава увеличивает его электрохимическую гетерогенность. По этой причине сплав Д16АТ имеет более низкую коррозионную стойкость, чем сплавы Al-Mg и Al-Mn, не содержащие в своем составе меди.
В целях защиты от коррозии сплав Д16 плакируют методом металлургической прокатки более коррозионностойкими сплавами АД1, А99, АЦпл, П35-1, П35-2, защищающие основной сплав не только механически, но и электрохимически [3].
Изменение коррозионной стойкости сплава Д16АТ после эксплуатации
Ранее было показано [4], что в результате действия нагрузок функционирования изменяется структура алюминиевых сплавов. В приповерхностных слоях изменяется форма зерна, происходит дораспад твердого раствора и при этом проявляются сегрегационные эффекты в виде выделений меди, марганца и других элементов. Ускоренные испытания сплавов Al-Cu-Mg в естественном и состаренном состоянии в специальном растворе по ГОСТ 9.904-82 выявили, что склонность к расслаивающей коррозии изменяется немонотонно от числа полетов [5].
Однако камере солевого тумана образцы сплавов были подвержены в основном питтинго-вой коррозии. В наибольшей мере питтинговая коррозия наблюдалась на сплаве после 15 лет эксплуатации (рис.2). После 30 суток выдержки в КСТ питтингами было поражено 30 % поверхности, в то время как на образцах сплава, эксплуатирующихся 11 и 20 лет, питтинги занимали 5-7 % площади поверхности образца.
Экстремум на кривой обусловлен, очевидно, большим числом полетов в год. Самолет после
11 лет эксплуатации налетал 14 550 летных часов и совершил 6 216 посадок. В случае 15летней эксплуатации самолет налетал 28 617 часов и совершил 12 834 посадки. Самолет со сроком службы 20 лет имел наработку 28 146 летных часов и 12 953 посадки. Число полетов в год соответственно составляло 565, 856 и 648. Материал планера - сплав Д16АТ - подвергался
большим циклическим нагрузкам и напряжениям, что повлияло даже на пластические характеристики. Они ухудшились [4]. Таким образом, на потенциальную склонность к коррозии влияет не срок изготовления конструкции, а условия эксплуатации, что может быть косвенным подтверждением изменения и других служебных характеристик, в частности, пластичности.
03
Л
Ю
О
к
п
сЗ
ЕЇ
о
4 и
*
03
Л
О
и
•V®
о4
Рис. 2. Доля поражения коррозией поверхности сплава Д16 (с плакировкой) после различных сроков эксплуатации и выдержки в КСТ 30 суток
Выявленная закономерность изменения коррозионной стойкости и пластических характеристик требовала подтверждения влияния циклических нагрузок на коррозионную стойкость сплава при испытаниях в лабораторных условиях.
Изменение склонности к коррозии сплава Д16Т после лабораторных наработок
Защитная роль плакирующего слоя видна из табл. 1.
Таблица 1
Результаты коррозионных испытаний сплава Д16АТ, подверженного коррозии после лабораторных наработок
Число циклов на- Площадь поражения образцов, %
Сплав гружений, тыс. после 6 сут. после 16 сут.
с плакировкой 0 0 2
без плакировки 2 2
с плакировкой 10 5 35
без плакировки 70 80
с плакировкой 30 2 30
без плакировки 5 50
с плакировкой 60 2 40
без плакировки 30 65
с плакировкой 120 5 30
без плакировки 85 90
На поверхности сплава без плакировки после различных режимов нагружений уже после 3-5 суток испытаний в КСТ появились коррозионные поражения в виде питтингов, занимающих до 85 % площади поверхности образца. На сплаве с плакирующим слоем коррозия появилась только через 16 суток.
Морфология и количество питтингов на единицу площади на образцах после различных нагружений заметно отличаются. Согласно [6], выделяют два типа питтингов - полированные и травленые. Полированные питтинги чаще всего имеют полусферическую форму и блестящую внутреннюю поверхность. Травленые питтинги своего рода антиподы полированные - они глубокие и могут иметь кристаллографическую огранку.
На исходном (новом) сплаве Д16АТ, не подвергнутом циклическим нагрузкам, наблюдалось небольшое количество питтингов (рис.3а). В силу того, что они имели зародышевое состояние, их тип трудно было идентифицировать. Картина менялась при действии нагрузок фун-ционирования. Во всем диапазоне циклирования (10-120 тыс. циклов) обнаружены питтинги травления. Наибольшее количество питтингов травления появилось на поверхности сплава после 10 тыс. циклических нагрузок (рис.3б). Однако при лабораторных наработках (100, 120 тыс. циклов) помимо питтингов травления видны области травления границ кристаллитов, имеющие эллипсоидную форму. Очевидно, их появление связано с повышенной травимостью границ зон метастабильных фаз при дораспаде твердого раствора. При дораспаде выделяются фазы переменного состава, в частности, изменяется концентрация зон Гинье-Престона и наблюдаются сегрегационные эффекты.
После 10 тыс. циклов После 120 тыс. циклов
Рис. 3. Коррозионные поражения поверхности сплава Д16АТ (без плакировки) после различных режимов нагружений (поле зрения 167*167 мкм)
Большее разнообразие в морфологии питтингов проявляется на образцах сплава Д16АТ с удаленным плакирующим слоем (рис.3,б), что может иметь значение при эксплуатации самолета со “съеденным” коррозией плакирующим слоем. Как отмечалось выше, образцы вырезали из панелей самолета, не затронутых коррозией. Однако на 1 м2 было поражено коррозией 20-30 см на толщину плакирующего слоя, при этом корродировал основной сплав Д16АТ.
Наиболее интересна при самоорганизации системы твердого раствора динамика изменения потенциальной склонности к коррозии. Зависимость склонности к коррозии сплавов Д16АТ с плакирующим слоем после воздействия лабораторных наработок немонотонна (рис. 4). На начальном этапе появления коррозионных поражений после 16 суток выдержки в КСТ наблюдается гармоническое изменение площади коррозионных поражений от числа циклов наработок. У свежевыплавленного предварительно ненагруженного образца было поражено 3 % площади поверхности образца, в то время как на образце после 10 тыс. циклов площадь поражения была в 25 раз больше и составила 80 %. На сплаве после 30 тыс. циклов вновь наблюдается уменьше-
ние площади поражения поверхности (30 %), далее после 60 тыс. циклов - вновь возрастание (40 %).
СЗ
3
а
ю
о
8
£
а
о
«
с
к
£
а
о
с
^5
наработки, тыс. циклов
Рис. 4. Доля поражения поверхности сплава Д16 (с плакировкой) после различных режимов нагружений и выдержки в КСТ в течение 16 суток при 0=6 кг/мм2
Описанное выше можно объяснить проявлением сегрегационных эффектов на образцах сплава Д16АТ. Большему количеству питтингов на образцах после 10 тыс. соответствует характерное проявление сегрегационных эффектов (рис. 5).
а б в
Рис. 5. Микроструктура сплавов Д16Т (с плакировкой) после различных режимов нагружений, полученная на сканирующем электронном микроскопе (х1500): а) 0 циклов при 0=6 кг/мм2;
б) 10 тыс. циклов при 0=6 кг/мм2;
в) 30 тыс. циклов при 0=6 кг/мм2
Большей коррозии соответствуют выделения меди размером до 13 мкм (рис.5,б). Уменьшение концентрации сегрегированной меди соответствует меньшему количеству питтингов. При 30 тыс. циклов количество меди уменьшается, в этом случае в поле сканирующего микроскопа зафиксированы железо, кальций, марганец (рис.5,в). Уменьшение количества меди приводит к большей устойчивости против питтинговой коррозии. На образцах предварительно ненагру-женных (0 циклов) (рис. 5,а) и после 30 тыс. циклов (рис.5,в) медь также была обнаружена, но в значительно меньшей концентрации.
Наблюдаемым микроструктурным изменениям можно попытаться дать объяснение с помощью представлений о восходящей диффузии [8]. Если рассматривать вопрос с этой точки зрения, то следует ожидать, что в результате циклических нагружений в одних участках, являющихся упруго растянутыми, зоны Гинье-Престона или частицы метастабильной фазы, будут растворяться, а в других, упруго сжатых, будут возникать скопления растворенных атомов в виде зон Гинье-Престона, в нашем случае обогащенных медью.
С учетом действия перепада температур -50 ... +50 0С, которому сопутствует действие нагрузок функционирования, полученные результаты могут быть полезны при разработке научных основ прогноза развития коррозии в процессе длительной эксплуатации. На наш взгляд, основное влияние на развитие коррозии оказывает все-таки действие циклических нагрузок. Термическое воздействие в упомянутом выше диапазоне температур не может заметно повлиять на процессы восходящей диффузии.
Выводы
1 Анализ потенциальной склонности к коррозии на образцах сплава Д16, вырезанных из панели центроплана самолетов, бывших в эксплуатации 11, 15 и 20 лет, показали, что на коррозию влияет не срок эксплуатации, а ее интенсивность. Максимальная склонность к коррозии наблюдается у сплавов, эксплуатирующихся в течение 15 лет. Этому соответствует большее число полетов в год - 856.
2 Установлено гармоническое изменение коррозионной стойкости алюминиевого сплава Д16АТ от числа циклов нагружений. Изменения коррозионной стойкости обусловлены дорас-падом твердого раствора, появлением метастабильных фаз и сегрегацией Cu, Fe, Ca, S.
3 Полученные результаты полезны и необходимы при прогнозировании изменения коррозионной стойкости на различных этапах эксплуатации для выработки научных основ продления ресурса самолетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бессонова О.А., Райхер В.Л.// Ученые записки ЦАГИ. 1978, т.18, №2.
2. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 2001.
3. Синявский В.С., Вальков В. Д., Будов Г.М. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979.
4. Васильев В.Ю., Шапкин В.С., Пустов Ю.А. // Защита металлов. 2004, т. 40, №5.
5. Васильев В.Ю., Шапкин В.С., Пустов Ю.А. // Защита металлов. 2004, т. 40, №5.
6. Васильев В.Ю., Куколкин А.Г., Баянкин В.Я. // Защита металлов. 1995, №1.
7. Фрейман Л.И. Итоги науки и техники. Коррозия и защита от коррозии. М.: ВИНИТИ, 1985, т.11.
8. Буйнов Н.Н., Захарова Р.Р. Распад металлических пересыщенных твердых растворов. М.: Металлургия,
1964.
INFLUENCE OF HISTORY OF LOAD ON CORROSION OF ALUMINIUM ALLOYS
Barulenkova N.V., Vasiljev V.Y., Kuleshova E.S., Sycheva M.A., Shapkin V.S.
The corrosion researches for revealing influences of laboratory operating time on corrosion of an alloy are carried out. The ambiguous influence of cyclic operating time on speed of corrosion is shown. Harmonical character of change of dependence should be taken into account by development of the long forecast of an opportunity of corrosion destructions.
Сведения об авторах
Баруленкова Наталья Витальевна, окончила МИСиС (2001), аспирантка МИСиС, автор 5 научных работ, область научных интересов - теория коррозии.
Васильев Владимир Юрьевич, 1941 г.р., окончил МИСиС (1966), доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой коррозии и защиты металлов МИСиС, автор 300 научных работ, область научных интересов - электрохимическая диагностика разрушений.
Кулешова Екатерина Сергеевна, студентка МИСиС, область научных интересов - теория коррозии.
Сычева Мария Анатольевна, студентка МИСиС, область научных интересов - теория коррозии.
Шапкин Василий Сергеевич, 1961 г.р., окончил МИИГА (1984), доктор технических наук, профессор кафедры АКПЛА МГТУ ГА, заместитель директора НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА, эксперт федеральной службы по надзору в сфере транспорта Минтранса России, Межгосударственного авиационного комитета, автор более 160 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.
