航空航天铝合金腐蚀疲劳研究进展
2022-02-16
铝合金作为一种强韧性高、耐蚀性好、加工性及焊接性能好的轻质合金，广泛用于航空航天领域，由于其优良的综合性能，成为飞机蒙皮和框架以及航天器主结构的首选材料[1-3]，主要作用是承受和传递载荷[4]。目前我国大多数飞机都存在“飞少停多”的现象，其中军用飞机日历寿命95%以上时间均为地面停放状态，地面腐蚀作用远高于空中疲劳，是影响军用飞机日历寿命的主要因素[5-7]。与军机相比，民机地面停放时间最高可占到60%[8]，以x7和x8型飞机为例，其地面停放时间占服役期间的95%以上，腐蚀问题对飞机寿命产生严重影响。考虑不同地域的影响，长期处于沿海停放状态的飞机，腐蚀损伤占主导地位，服役状态接近预腐蚀疲劳过程。而对于经常高空作业的军机和经常起停的民机，需要考虑高空腐蚀疲劳和地面腐蚀之间交替作用的影响，服役过程可认为是“腐蚀+腐蚀疲劳”交替的结果。当忽略高空飞行时产生的微小腐蚀损伤时，认为飞机在机场停放时腐蚀损伤占主导，在高空飞行时疲劳损伤占主导，其服役过程接近“腐蚀+疲劳+腐蚀+疲劳+…”交替过程。在航天器一次服役过程中，地面试验和组装过程接触腐蚀环境时间短，太空环境下铝合金几乎不发生腐蚀[9]，随着航天器可重用技术的发展[10]，在航天器多次重用过程中，除了交变载荷造成的疲劳问题外，还面临多次地面维修、试验、组装过程中受到的腐蚀问题。与飞机的腐蚀疲劳不同，可重用航天器服役过程不存在高空腐蚀影响，更符合“腐蚀-疲劳”交替过程。
随着航空航天事业的不断发展，高强度的2xxx系（2A12、2024、2219、2090等）和超高强度的7xxx系（7050、7075、7A04、7055等）铝合金是航空航天工业中应用范围最广、使用量最大的合金，主要应用在机翼、机身蒙皮、翼梁上下缘条、压力舱和整流罩等部位[11]。同时还有部分5xxx系（5A06、5456、5086、5B70等）防锈铝合金，由于具有良好的焊接性、疲劳性和耐海洋大气腐蚀性，常被用作飞机发动机、齿轮箱、支架结构和航天器整体壁板等[12]，以及少量的6xxx系（6A02、6013等）和8xxx系（8091等）铝合金，用于制造飞机发动机零件。而腐蚀主要集中在机身蒙皮、机翼前梁腹、翼梁上下缘条、机身长桁外部蒙皮铆钉处、尾部框条等部位，这些也是腐蚀疲劳失效的危险部位[5]。
腐蚀疲劳失效是构件在腐蚀环境和交变载荷协同/交互作用下所产生的一种常见失效形式。它不仅仅是单纯的腐蚀作用和疲劳影响的叠加，在腐蚀因素和疲劳应力交互下产生的协同作用，比两者任何一种单独作用影响更大[13-15]。数十年来，国内外学者开展大量腐蚀疲劳试验研究，对探究航空航天铝合金腐蚀疲劳机理、腐蚀疲劳影响因素及疲劳寿命变化等方面做出了突出贡献。近年来，又发现了铝合金在腐蚀疲劳交替作用下疲劳寿命的独有特征。本文将从铝合金的腐蚀疲劳机理出发，介绍目前主要的腐蚀疲劳试验技术，归纳分析影响腐蚀疲劳的主要因素和腐蚀疲劳交替下疲劳寿命的特点，并对铝合金腐蚀疲劳未来发展趋势进行展望。
