复合材料对LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀性能的影响

　　陆峰〃，张晓云2，汤智慧2，钟群鹏曹春晓2（1北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083；腐蚀的存在，对LY12CZ铝合金应力腐蚀性能的影响，利用SEM方法对裂纹断口进行了分析。结果表明，复合材料与LY12CZ铝合金的电偶腐蚀作用，促进了LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀裂纹形成与扩展，电偶作用使晶粒表面的点蚀减少，晶界腐蚀的溶解速率明显加快，晶界的二次裂纹大大增加，而与铝合金偶接的复合材料表面形貌基本无变化。

　　先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成型等许多优异特性，已广泛用于航空、航天和各种武器装备，对促进结构的轻量化、小型化和篼性能化起了至关重要的作用，将其用于飞机结构上，可比常规的金属结构减重25%30%，并可明显改善飞机的气动弹性特性，提高飞行性能。先进复合材料的应用还可以进一步推进隐身和智能结构设计技术的发展，先进复合材料在飞机上的用量及其性能水平已成为飞机先进性的重要考核标志之一目前在飞机结构中主要使用的是碳纤维复合材料，由于碳纤维独特的电化学性能，其电极电位较正，与偶接铝合金电连接后，在腐蚀介质中，由于电偶腐蚀的作用，导致电极电位较负的铝合金腐蚀速率加快，这在很多中已有报道。

　　种碳纤维环氧复合材料（GraphiteEpoxyComposite Materials，GECM）与LY12CZ铝合金C-环试样相互偶接后，在3.5%NaCl腐蚀介质中，不同的加载应力条件下，周期浸润腐蚀一定时间后，观察LY12CZ铝合金的裂纹断口及二次裂纹的微观组织及形貌，分析碳纤维环氧复合材料与LY12CZ铝合金相互偶接后，由于电偶腐蚀的作用，对铝合金表面腐蚀的微观形貌、晶界腐蚀速率的变化和二次裂纹的形成及扩展的影响，研究碳纤维环氧复合材料对LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀性能的影响。

　　1LY12CZ铝合金75%心。2应力载荷，未偶接复合材料，断裂时间为96h.属典型的沿晶断裂应力腐蚀断口，表面伴有沿晶二次裂纹，但不多。图中A裂纹为沿大角度晶界的二次裂纹，B为沿小角度晶界（亚晶粒）的二次裂纹，C为晶粒表面的浅点蚀坑。断裂是在应力和腐蚀介质共同作用下的脆性延迟断裂。

　　75%%.2加载应力，分别偶接T300/5222和T300/648碳纤维环氧复合材料，断裂时间均为66h，同图la的结果类似，应力腐蚀断口裂纹为沿晶断裂，由于电偶腐蚀的作用，表面有大量沿晶二次裂纹，特别是沿晶小角度晶界腐蚀严重，使得晶界松散，出现大量小角度晶界二次裂纹，图中A为沿大角度晶界的一次裂纹，B为沿小角度晶界的二次裂纹。

　　加载应力为85%，偶接与不偶接T300/5222和T300/648碳纤维环氧复合材料，周浸腐蚀后的裂纹断口形貌。a所示LY12CZ铝合金85%'2应力载荷，未偶接复合材料，断裂时间为66h.属于沿晶断裂，表面基本无沿晶二次裂纹，图中A为沿大角度晶界的一次裂纹，B为大角度晶界上的轻微点蚀坑，C为晶粒表面的腐蚀泥纹。与图la相比，a的断裂原因以应力为主，沿晶断裂时基本无二次裂纹，晶界腐蚀轻微。

　　应力载荷，分别偶接T300/5222和T300/648碳纤维环氧复合材料，断裂时间均为66h.可以看出裂纹断口为沿晶断裂，b表面有大量沿晶二次裂纹，沿晶小角度晶界腐蚀严重，使得晶界松散，出现大量小角度晶界二次裂纹，也出现大的沿晶大角度晶界二次裂基本无沿晶小角度晶界的二次裂纹，A为沿大角度晶纹，A为沿大角度晶界的一次裂纹，B为沿小角度晶界的二次裂纹，B为沿晶粒表面的腐蚀泥纹。

　　界的二次裂纹。c沿晶大角度晶界二次裂纹明显，2.2复合材料表面微观结构T300/5222与T300/648两种碳纤维环氧复合材料，与LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀试样偶接与不偶接时，经过同样周期的周浸腐蚀试验后，使用SEM观察表面微观结构与形貌，结果见。由于两种碳纤维环氧复合材料，使用的均为T300碳纤维，阴极反应过程基本相同，从可以看出微观形貌没有太大的差异，表面未出现碳纤维的腐蚀或断裂，在此仅给出了T300/5222―种碳纤维环氧复合材料的微观形貌图。

　　碳纤维环氧复合材料在腐蚀介质中，碳纤维是电子导电相，腐蚀介质是离子导电相，电偶腐蚀过程中，在相界面上有电荷的转移，在电荷转移的同时，不可避免地要在两相界面上发生物质的变化（化学变化）。铝合金表面产生失去电子，产生溶解反应，形成氧化物和氢氧化物，是一个阳极过程，其反应式可料，在电极表面，碳纤维作为阴极，碳纤维环氧复合材料本身不参加反应，电极上主要是溶解氧的还原过程，是一个阴极过程，其反应式为：碳纤维表面的电极反应过程十分复杂，且这些氧还原反应都为2浓差控制，反应速率受溶解2扩散到碳纤维表面的过程控制，并经过吸附过程，*终参与电极反应。

　　2.3电偶腐蚀对铝合金应力腐蚀影响分析应力腐蚀断裂通常有三个基本条件，敏感的材料、特定的腐蚀环境和拉伸应力，影响应力腐蚀断裂的主要因素涉及力学、电化学和冶金等。应力腐蚀断裂是一种滞后破坏过程，在宏观上属于脆性断裂，在应力和腐蚀介质的共同作用下，经过一定时间的裂纹械破断。

　　形核、裂纹亚临界扩展，*终达到临界尺寸，发生机LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀试样与T300/ T300/5222碳纤维环氧复合材料表面形貌5222与T300/648两种碳纤维环氧复合材料偶接后，复合材料作为电偶对的阴极，主要是溶解氧在表面的还原反应，其表面基本不受影响，作为阳极的LY12CZ铝合金则受到较大的影响。周浸腐蚀66h时进行外观检查，偶接碳纤维环氧复合材料的LY12CZ铝合金C-环试样，与未偶接复合材料的铝合金相比，表面腐蚀产物多，腐蚀更为严重。LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀可以用阳极溶解型应力腐蚀机理来解释，由于电偶腐蚀和腐蚀介质的联合作用，钝化膜遭到局部破坏后，促使裂纹形核，并在外加应力和电偶腐蚀的共同作用下，裂纹尖端沿某一择优路径定向活化溶解，导致裂纹扩展，*终发生断裂。

　　由于LY12CZ铝合金时效处理时会有第二相沿晶界析出，造成晶界的电极电位比晶粒要负，晶界相对于晶粒来说为阳极，在腐蚀性介质中晶界选择性溶解、弱化，LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀试样开裂是以晶界的阳极溶解方式为主进行，在应力作用下导致宏观应力腐蚀裂纹沿晶界产生和扩展，获得沿晶的应力腐蚀断口。这种裂纹的产生与扩展在复合材料电偶腐蚀作用存在时，LY12CZ铝合金晶界作为电偶的阳极腐蚀溶解速率加快。晶界-碳纤维环氧复合材料这种“阳极-阴极偶对”电化学作用的加剧使得晶粒表面的点蚀减少，但晶界腐蚀溶解速率大大加快，促进了裂纹的形成，同时晶界的二次裂纹也明显增加。这表明，由于LY12CZ铝合金与碳纤维环氧复合材料之间电偶腐蚀的存在，促进了LY12CZ铝合金表面裂纹的形核和发展，加速了裂纹内的电化学反应，使LY12CZ铝合金应力腐蚀速率加快。

　　微观形貌分析表明，碳纤维环氧复合材料的存在，使断口裂纹表面出现大量的沿晶二次裂纹。

　　材料后，电偶腐蚀的作用促进了LY12CZ铝合金C-环应力腐蚀的裂纹形成和发展。

　　碳纤维环氧复合材料与LY12CZ铝合金偶接后，经过同样周浸腐蚀试验条件后，对碳纤维环氧复合材料基本没有影响。