ВИАМ/2012-206203

Сравнение коррозионной стойкости

деформируемых алюминиевых сплавов по

результатам натурных и натурно-ускоренных

испытаний под навесом

М.Г. Курс

С.А. Каримова

кандидат технических наук

В.В. Махсидов

кандидат технических наук

Ноябрь 2012

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП

«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное

материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

Статья подготовлена для опубликования в журнале «Вопросы материаловедения», № 1, 2013 г.

Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public Сравнение коррозионной стойкости деформируемых алюминиевых сплавов по результатам натурных и натурно-ускоренных испытаний под навесом М.Г. Курс1, С.А. Каримова2, В.В. Махсидов Геленджикский центр климатических испытаний им. Г.В. Акимова, г. Геленджик Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва Проведена сравнительная оценка характеристик климатической стойкости алюминиевых сплавов 1370 и В-1461, применяемых в изделиях авиационной техники, по результатам натурных и натурно-ускоренных испытаний в условиях умеренно теплого климата. При испытаниях проводился контроль следующих параметров: скорости коррозии, глубины межкристаллитной и питтинговой коррозии, потерь механических свойств.

Также была исследована коррозионная стойкость сплавов в зависимости от их структуры.

Введение В условиях эксплуатации материалы авиационного назначения подвергаются агрессивному воздействию атмосферных факторов.

Образующаяся в результате выпадения росы или атмосферных осадков пленка влаги на поверхности металлического материала инициирует протекание электрохимических реакций, результатом которых может стать зарождение очагов коррозионного разрушения [1]. Для алюминиевых сплавов характерно образование питтинга на поверхности, который в дальнейшем может быть причиной развития межкристаллитной коррозии (МКК). Данный вид коррозионного разрушения особенно опасен тем, что его невозможно обнаружить визуально. МКК от поверхности может распространиться на критическую глубину и привести к разрушению ответственных деталей и конструкций.

Результаты исследования коррозионной стойкости алюминиевых сплавов в натурных климатических условиях являются одним из важнейших показателей их работоспособности в нагруженных силовых конструкциях, работающих в сложных климатических условиях. Чтобы отследить кинетику развития МКК при натурной экспозиции, требуется проведение длительных испытаний.

Склонность к МКК материалов реализуется в натурных климатических условиях за срок от 2 до 10 лет в зависимости от агрессивности атмосферы.

Оценить возможную глубину МКК алюминиевого сплава можно также с использованием натурно-ускоренных испытаний, позволяющих получить данные о коррозионной стойкости материала за гораздо более короткий срок по сравнению с классическими испытаниями в открытой атмосфере, не изменяя механизма возникновения и развития коррозии. Суть метода заключается в проведении натурной экспозиции материалов с искусственным усилением двух параметров атмосферного воздействия: скорости выпадения хлоридов и продолжительности увлажнения поверхности. В нашем случае натурноускоренные испытания предусматривают более жесткие условия экспозиции, а именно испытания под навесом, сопровождающиеся периодическим нанесением на поверхность образцов фазовой солевой пленки влаги.

неплакированные листы из высокотехнологичного сплава средней прочности 1370 системы Al–Mg–Si–Cu в состоянии после закалки и старения и листы из высокопрочного коррозионностойкого свариваемого сплава пониженной плотности В-1461 системы Al–Cu–Li–Mg(Zn) в состоянии после закалки, правки, искусственного старения.

конструкционными материалами планера современной и перспективной авиационной техники (SSJ-100, Ту-204, Ил-76МД-90, Ан-148, Бе-200, А-380 и др.) благодаря легкости, оптимальному комплексу необходимых эксплуатационных характеристик, хорошей технологичности и освоенности в металлургическом и авиационном производствах [2]. Сплав 1370 обладает хорошим сопротивлением общей коррозии и практически не чувствителен к межкристаллитной коррозии в искусственно состаренном состоянии. Листы из сплава 1370 рекомендуется применять для элементов обшивки планера, а также для изготовления деталей сложной конфигурации, в том числе работающих в условиях воздействия эксплуатационных нагревов. Листы из сплава В- рекомендуются для клепаных и сварных конструкций авиакосмической техники (обшивка и силовой набор планера, элементы конструкций). Применение сплава В-1461 в изделиях авиакосмической техники обеспечивает повышение весовой эффективности, а также ресурса и надежности конструкций.

Методика эксперимента Исследования проводили на неплакированных листах из сплавов 1370 и В-1461 [3–4], которые подвергали натурно-ускоренным испытаниям* путем экспозиции в течение 1 года с ежедневным нанесением морской соли в виде растворов различной концентрации (1, 5, 10 г/л), а также без нанесения соли (см. таблицу). Для испытаний применяли морскую соль, полученную из морской воды Черного моря методом выпаривания. Для увеличения продолжительности нахождения под слоем влаги образцы экспонировали на атмосферных стендах в горизонтальном положении под навесом.

исследования проводили после 3, 6 и 12 мес испытаний. Потери механических свойств сплавов оценивали после испытаний в течение 1 года.

Как известно, концентрация хлоридов является одним из факторов Испытания проводили в Геленджикском центре климатических испытаний ВИАМ им. Г.В. Акимова.

интенсивность коррозионного разрушения металлических материалов.

Разные концентрации морской соли были выбраны с целью получения данных для разработки методики прогнозирования поведения материалов в различных климатических зонах при длительной эксплуатации изделия.

Центр климатических испытаний ГЦКИ находится по климатическим признакам в умеренно теплом климате с мягкой зимой (ГОСТ 16350).

По ISO 9223 агрессивность атмосферы в этой климатической зоне классифицируется как С3 (средняя).

Результаты испытаний и обсуждение Определение скорости коррозии В результате нанесения солевых растворов методом распыления на поверхности металла образуется пленка электролита, происходит активация коррозионного процесса. Время появления первых коррозионных очагов составляет 2–5 сут после начала испытаний (для сравнения: при испытаниях алюминиевых сплавов на открытой площадке (без нанесения солевых растворов) время появления первых очагов коррозионного повреждения составляет примерно 10–16 сут). Уже через месяц после начала натурноускоренных испытаний коррозионные повреждения занимали более 50% поверхности, а через 3 месяца – до 90% (рис. 1).

На рис. 2 показаны графики изменения скорости коррозии алюминиевых сплавов В-1461 и 1370 в результате натурно-ускоренных испытаний в течение 1 года. Характер изменения скорости коррозии обоих сплавов при нанесении морской соли в концентрациях 5 и 10 г/л практически не отличается, из чего можно сделать вывод о том, что при достижении определенной концентрации дальнейшее увеличение содержания соли в растворе не оказывает значительного влияния на изменение скорости коррозии. Как видно на рис. 2, динамика изменения скорости коррозии образцов без нанесения и с нанесением морской соли отличается в значительной степени.

Рисунок 1. Внешний вид образцов листов из сплавов В-1461 (а, в) и 1370 (б, г) после натурных испытаний в течение 1 года без нанесения Рисунок 2. Скорость коррозии образцов после натурно-ускоренных испытаний в течение 1 года листов из сплавов В-1461 (а) и 1370 (б) с нанесением раствора соли концентраций 1 (2), 5 (1), 10 г/л (3) Испытания образцов из алюминиевых сплавов 1370 и В-1461 показали, что на начальных стадиях натурно-ускоренных испытаний (с апреля по июнь) с нанесением морской соли скорость коррозии возрастает наиболее интенсивно. С июля по сентябрь в наиболее засушливые месяцы, когда происходило максимально быстрое испарение пленки влаги наносимого раствора, скорость коррозии заметно падает. В период осенне-зимних месяцев с октября по март скорость коррозии изменяется незначительно.

После испытаний в течение 3 и 6 мес образцов, экспонировавшихся без нанесения морской соли, на первых двух этапах динамика скорости коррозии изменялась так же, как для образцов с нанесением раствора морской соли, однако эти изменения менее выражены. Зимние месяцы (октябрь–март) отличаются большим количеством осадков и частыми северными ветрами, что приводит к дополнительному воздействию аэрозоля морской воды и росту скорости коррозии.

Как известно [5], скорость коррозии с течением времени снижается.

Данный процесс обусловлен образованием слоя продуктов коррозии на поверхности образца, который препятствует доступу кислорода.

При натурно-ускоренных испытаниях площадь коррозионных поражений уже после 3 мес составляла до 95% площади поверхности (диаметр коррозионных очагов достигает 10 мм) с образованием плотного слоя продуктов коррозии.

После испытаний без дополнительного нанесения раствора морской соли в течение 1 года площадь коррозионных поражений составляла около 50% площади поверхности с гораздо меньшим диаметром коррозионных очагов (1 мм), т.е. поверхность оставалась более доступной воздействию коррозионно-активных компонентов, в результате чего скорость коррозии продолжала расти.

Таким образом, в отличие от натурных при натурно-ускоренных испытаниях уже в течение первого года экспозиции скорость коррозии обоих сплавов достигает максимального значения, которое затем снижается, а в дальнейшем изменяется незначительно. Для образцов из сплавов, экспонирующихся без дополнительного нанесения растворов морской соли, скорость коррозии в течение столь непродолжительного времени испытаний не достигает максимального значения, для чего требуются более длительные испытания.

Результаты проведения металлографических исследований Наличие у того или иного алюминиевого сплава склонности к межкристаллитной коррозии определяется не только его химическим составом, но и структурным состоянием (размером зерна, фазовым составом и морфологией выделения фаз), которое формируют такие факторы, как термическая обработка, технологические нагревы, механическая обработка и другие производимые с полуфабрикатом операции.

искусственного старения в приграничной области, как правило, наблюдаются выраженные в большей или в меньшей степени зоны, свободные от выделений. Ширина зоны, свободной от выделений, может зависеть от режимов термической и термомеханической обработки. В работах [6, 7] приведен электрохимический механизм развития МКК сплавов системы Al–Mg–Si–Cu. Утверждается, что катодом является тело зерна, а анодом – зоны, свободные от выделений, а также выделения упрочняющих фаз по границам зерна, что приводит к развитию МКК (рис. 3, а).

Рисунок 3. Межкристаллитная коррозия образцов листов сплавов 1370 (а) и В-1461 (б) после натурно-ускоренных испытаний в течение 1 года с нанесением морской соли в концентрации 10 г/л Снизить склонность к МКК полуфабрикатов из сплавов системы Al–Mg–Si–Cu можно несколькими способами: дополнительным легированием сплава, оптимизацией его состава в пределах стандарта на химический состав, низкотемпературной термомеханической обработкой [8].

Высокопрочный сплав В-1461 системы Al–Cu–Li–Zn–Mg, разработанный ФГУП «ВИАМ» в качестве альтернативы высокопрочному сплаву В95, относится к новому поколению сплавов, содержащих литий. Главной задачей при исследовании влияния режимов искусственного старения на коррозионные свойства алюминийлитиевых сплавов является определение характера распределения, размеров, объемной доли и химического состава интерметаллидных фаз, содержащих медь, литий, магний и, возможно, цинк по границам и внутри зерен [9].

При проведении металлографических исследований микрошлифов из сплава В-1461 в приповерхностных слоях было отмечено наличие растравов, причем их было значительно больше, чем очагов межкристаллитной коррозии (рис. 3), особенно на образцах без нанесения морской соли и с нанесением раствора соли 1 г/л. Сетка МКК имеет довольно мелкоячеистую структуру и хорошо видна только при увеличении 500 крат (рис. 3, б).

Для сплава В-1461 наиболее подверженными МКК были образцы с нанесением морской соли в концентрации 5 и 10 г/л. Глубина повреждения составила около 0,22 мм. Сплав 1370 отличался еще большей склонностью к МКК; при нанесении соли в концентрации 10 г/л максимальная глубина крупноячеистую структуру и хорошо видна при гораздо меньшем увеличении (100 крат).

В результате проведенного металлографического анализа было выявлено, что после испытаний в течение 6 мес (с июля по сентябрь) для обоих сплавов наряду со снижением скорости коррозии наблюдается торможение роста МКК. В течение последующих 6 мес отмечается некоторый рост МКК (рис. 4). Таким образом, можно сделать вывод о влиянии сезонности на интенсивность развития МКК алюминиевых сплавов.

Рисунок 4. Глубина МКК на образцах листов из сплавов В-1461 и 1370 после натурно-ускоренных испытаний в течение 3, 6 и 12 мес с нанесением и без нанесения солевых растворов Результаты исследования глубины питтинга Алюминиевые сплавы склонны также к питтинговой коррозии. В то время как в листах из сплава 1370 была обнаружена наибольшая глубина МКК, наибольшая глубина питтинга выявлена в листах из сплава В-1461.

Развитие питтинговой коррозии в листах из сплава В-1461 имеет равномерный и объемный характер, а в листах из сплава 1370 он более локальный.

По результатам проведенных исследований после натурно-ускоренных испытаний в течение 1 года наибольшая глубина питтинга (в 3 раза больше, чем в образцах из этого же сплава без нанесения морской соли) была выявлена в листах из сплава В-1461 толщиной 177 мкм при нанесении морской соли в концентрации 10 г/л (рис. 5).

Рисунок 5. 3-D изображение участка на поверхности листов из сплавов 1370 (а) и В-1461 (б) с нанесением морской соли в концентрации 10 г/л после экспозиции в течение 1 года С увеличением продолжительности испытаний в образцах из сплава В-1461 наблюдается торможение роста питтинга, в образцах из сплава 1370 – продолжение роста глубины питтинга (рис. 6).

Рисунок 6. Глубина питтинга на образцах из сплавов В-1461 и 1370 после натурно-ускоренных испытаний в течение 3, 6 и 12 мес с нанесением и без нанесения солевых растворов Результаты определения потерь механических свойств На рис. 7 в виде диаграммы показаны изменения механических свойств (в, 0, 2, ) листов из алюминиевых сплавов 1370 и В-1461 после натурноускоренных испытаний в течение 12 мес с нанесением морской соли. Как видно на рис. 7, потери механических свойств сплава 1370 не зависят от количества наносимой соли. Потери механических свойств сплава В-1461 гораздо ниже.

Потери относительного удлинения обоих сплавов намного превышают потери предела прочности в и предела текучести 0,2, т.е. при натурной экспозиции в первую очередь снижается уровень пластичности материала.

Рисунок 7. Потери механических свойств образцов из сплавов В-1461 и 1370 после натурно-ускоренных испытаний в течение 12 мес с нанесением и без нанесения солевых растворов Выводы Натурно-ускоренные испытания алюминиевых сплавов по сравнению с испытаниями в открытой атмосфере позволяют в значительной степени сократить время экспозиции, не изменяя механизма коррозионного разрушения.

При периодическом нанесении на поверхность образцов из сплавов В-1461 и 1370 морской соли в концентрациях 5 и 10 г/л различия в скорости коррозии и глубине МКК минимальны, из чего следует вывод о том, что при достижении определенного уровня солености раствора дальнейшее повышение ее концентрации практически не влияет на динамику коррозионного разрушения материала.

В течение 1 года МКК сплавов развивается неравномерно. Более интенсивно МКК развивается в первые месяцы испытаний, а также во время более холодных месяцев, когда образцы дольше находятся под воздействием растворов морской соли. Во время засушливых летних месяцев наносимый слой влаги испаряется с поверхности максимально быстро и рост МКК замедляется.

В то время как сплав 1370 был подвержен большей степени МКК, наибольшая глубина питтинга выявлена на сплаве В-1461. Развитие питтинговой коррозии для сплава В-1461 носит более равномерный и объемный характер, в то время как для 1370 он более локальный.

При определении потерь механических свойств материала листов после относительного удлинения намного превышают потери предела прочности в и предела текучести 0,2 для обоих исследуемых сплавов.

Проведение натурно-ускоренных испытаний позволяет оценить за относительно короткий период времени коррозионную стойкость материала при его эксплуатации в данных климатических условиях.

Список литературы:

1. Михайловский Ю.Н. Атмосферная коррозия металлов и методы их защиты. – М.:

Металлургия, 1989.

2. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). – М.:

ФГУП «ВИАМ», 2012. – С. 167.

3. Авиационные материалы. Справочник. Т. 4: Ч. 1. Деформируемые алюминиевые сплавы. Кн. 1 / Под общ. ред. акад. Е.Н. Каблова. – М.: ФГУП «ВИАМ», 2008.

4. Авиационные материалы. Справочник. Т. 4: Ч. 1. Деформируемые алюминиевые сплавы. Кн. 2 / Под общ. ред. акад. Е.Н. Каблова. – М.: ФГУП «ВИАМ», 2009.

5. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия, 1976. – С. 6.

6. Dif R., Bechet D., Warner Т., Ribes H. 6056T78: a corrosion resistant copper-rich 6XXX alloy for aerospace applications // Proceedings of 6th International Conference on Aluminium Alloys. V. 3. – Toyohashi, Japan, the Japan Institute of Light Metals, 1998. – P. 1991–1996.

7. Комиссарова В.С., Егорова Н.В., Киреева А.Ф. Особенности механизма межкристаллитной коррозии сплавов АВ и АД33 в морских условиях // Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. Вып.: Коррозия и защита сплавов в морских условиях. – М.: ВИАМ, 1985. – С. 36–42.

8. Махсидов В.В., Колобнев Н.И., Каримова С.А., Сбитнева С.В. Взаимосвязь структуры и коррозионной стойкости в сплаве 1370 системы Al–Mg–Si–Cu–Zn // Авиационные материалы и технологии. – 2012. –.№1. – С. 8–13.

9. Хохлатова Л.Б., Оглодков М.С., Пономарев Е.К. Влияние режимов старения на коррозионную стойкость листов сплава В-1461 системы Al–Li–Cu–Zn–Mg // Металлургия машиностроения. – 2012. – №3. – С. 22–26.