原位自生TiB2/7050铝基复合材料的腐蚀行为研究

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随着航空领域的飞速发展,飞机关键构件对材料性能的要求日益提高,传统铝合金难以满足更严格的使用要求。在传统7050高强铝合金的基础上,通过熔体控制自生制备的原位自生Ti B2/7050铝基复合材料具有轻质、高强、高刚、高抗疲劳等优异性能,有望用于飞机关键构件。飞机在服役过程中,航空构件难以避免接触腐蚀环境而发生腐蚀破坏。基于飞行安全和成本的考虑,原位自生Ti B2/7050铝基复合材料腐蚀行为的相关研究至关重要。本文分析了原位自生Ti B2/7050铝基复合材料在三个方向上的晶粒取向、晶粒形貌和Ti B2颗粒分布等微观组织特征,研究了其应力腐蚀和剥落腐蚀行为,揭示了微观组织对原位自生Ti B2/7050铝基复合材料抗腐蚀性能的影响机理。微观组织观察表明,原位自生Ti B2/7050铝基复合材料中Ti B2颗粒尺寸大部分在50-500 nm范围内,沿ED方向以颗粒带形式分布。沿ED方向的晶粒取向主要为<111>和<100>丝织构。三个面的晶粒形状比从大到小依次为:ED(Extrusion Direction)-ND(Normal Direction)面>ED-TD(Transverse Direction)面>TD-ND面,大角晶界密度和Ti B2颗粒面积分数从高到低均依次为:TD-ND面>ED-ND面>ED-TD面。慢应变速率拉伸结果表明,该复合材料在3.5wt.%Na Cl溶液中,抗拉强度和伸长率降低,断裂时间缩短,而且主要发生在颈缩阶段。应力腐蚀开裂过程主要分为两个过程:首先,裂纹在试样表面萌生后,垂直于拉伸方向朝材料内部扩展,主要发生解理断裂;随后,当裂纹遇到Ti B2颗粒带后,扩展方向在Ti B2颗粒带和Al基体界面处发生偏折,沿Ti B2颗粒带方向的趋势较大。应力腐蚀开裂主要受Ti B2颗粒的影响,体现在以下三个方面:(I)局部团聚的Ti B2颗粒可促进再结晶,细小的再结晶晶粒提供更多的应力腐蚀开裂路径;(II)Ti B2颗粒钉扎位错,加速氢致开裂;(III)Ti B2颗粒和Al基体之间存在较大电势差,加速腐蚀。此外,变形方向、时效处理工艺对铝基复合材料的应力腐蚀敏感性有重大影响:ED方向的晶界密度和Ti B2颗粒面积分数最高,导致应力腐蚀最明显;T74处理相对于T6可明显提高材料的抗应力腐蚀性能,但抗拉强度降低约20%。原位自生Ti B2/7050铝基复合材料中的剥落腐蚀过程机理如下:腐蚀液首先从材料表面薄弱处渗透进入样品一定深度,并沿丝织构方向生成腐蚀产物,生成的腐蚀产物体积大于消耗的合金体积,产生“楔入效应”撑开表层材料。整个过程分为腐蚀液的渗入和剥落腐蚀裂纹的产生,两者循环交替,使表面材料逐层脱落。在剥落腐蚀过程中,Ti B2颗粒促进再结晶,增大晶界密度,提高晶界处的腐蚀敏感性。T74和T76处理均可大幅度提高复合材料的抗剥落腐蚀性能,其中T74的效果最优。不同时效处理主要影响腐蚀液的渗入深度,对剥落层的厚度无明显影响。
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