Коррозионная стойкость и свойства алюминиевых сплавов авиационного назначения в условиях морского субтропического климата

Условия эксплуатации авиационной и космической техники обуславливают крайне жесткие требования к материалам, которые должны обеспечить прочность конструкции при минимальных удельной массе, габаритах и расходе топлива, надежность и длительный ресурс при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередования повышенных и пониженных температур, коррозионно-активных сред [1]. Современные пассажирские и транспортные самолеты рассчитаны на эксплуатацию в течение 30 000 — 60 000 часов, в перспективе до 80 000 часов (примерно 10 лет суммарного пребывания в воздухе) — общее время службы 20−30 лет практически в любой точке земного шара н.

Защита от коррозии современных самолетов составляет сложную комплексную задачу, решение которой играет первостепенную роль в обеспечении надежности изделий при длительной эксплуатации, особенно в районах морского и тропического климата. Достижение высокой коррозионной стойкости изделий обеспечивается выбором и разработкой материала, установлением оптимальной структуры сплава, разработкой технологических процессов для обеспечения коррозионной стойкости на всех этапах создания материала, детали, конструкции [3]. Алюминиевые сплавы в настоящее время являются наиболее «летающими» металлами, их доля в структуре потребления авиационных материалов в момент основания ВИАМ составила 25%, а к концу XX столетия составила 80% [4].

Существует много методов ускоренной оценки коррозионной стойкости алюминиевых сплавов [5, 6, 7, 8, 9]. однако самые достоверные сведения об их коррозионной стойкости в том или ином климатическом районе могут дать лишь испытания в естественных условиях, хотя такие испытания являются весьма длительными [10J.

Учитывая особую ответственность самолетных деталей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, оценка их коррозионной стойкости не может ограничиться определением только глубины и характера коррозионных поражений. При изучении коррозионной стойкости алюминиевых конструкционных сплавов авиационного назначения важно оценить весь комплекс свойств, которые могут измениться в результате полученных материалом коррозионных поражений. В первую очередь к таким свойствам следует отнести механические характеристики (о&bdquo-, ао.2, 8), которые позволяют оценить влияние коррозионных поражений на их стабильность. Особо следует выделить оценку усталостных характеристик, так как практически все конструктивные элементы в самолете подвержены усталостным нагрузкам и наличие коррозионных поражений может сыграть роль концентраторов напряжений, которые приведут к быстрому разрушению.

Несмотря на обилие публикаций, посвященных оценке коррозионной стойкости конструкционных и специальных материалов, информация о влиянии морского субтропического климата на поведение и деградацию свойств алюминиевых конструкционных сплавов авиационного назначения встречается редко.

В настоящей работе представлены результаты длительных коррозионных испытаний основных конструкционных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении. Выбранные условия экспозиции (атмосферная площадка, навес, периодическое опрыскивание образцов морской водой) и критерии, оценивающие работоспособность материалов в морских субтропиках (время до появления первых очагов коррозии, характер, глубина и площадь коррозионных поражений, изменение механических и усталостных характеристик) позволили ранжировать испытанные алюминиевые сплавы по их стойкости к коррозии в зависимости от видов полуфабрикатов и режимов термообработки. Автором получены материалы, которые легли в основу разработанного отраслевого методического руководства по испытанию авиационных материалов в условиях морского субтропического климата.

Работа проводилась с целью выяснения следующих вопросов:

— исследовать влияние морского субтропического климата на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов различных систем и оценить свойства этих сплавов после длительных коррозионных испытаний;

— по результатам многолетних исследований определить факторы, оказывающие решающее влияние на коррозию алюминиевых сплавов в морских субтропиках;

— исследовать коррозионную стойкость алюминиевых сплавов, в зависимости от концентрации ионов хлора для прогнозирования коррозионной стойкости алюминиевых сплавов на различных расстояниях от моря;

— установить влияние металлургических факторов (режим термообработки, тип полуфабриката) на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов при натурных климатических испытаниях.

Для решения этих вопросов были разработаны методы коррозионных испытаний алюминиевых сплавов и система оценки свойств материалов после длительной экспозиции в натурных условиях морских субтропиков, результаты исследований вошли в паспорта на материалы ВИАМ.

Диссертация содержит шесть глав.

В первой главе содержится анализ литературных источников по коррозионной стойкости различных металлов и сплавов на климатических станциях различных регионов России и бывшего СССР. Приводятся данные авторов по оценке коррозионной активности испытательных площадок, в том числе и морских, анализу агрессивности атмосферы, сведения по скорости коррозии различных материалов и освещены вопросы прогнозирования коррозии во времени в зависимости от периода увлажнения металла и климатической зоны экспонирования образцов.

В этой главе сформулированы задачи исследований, состоящие в разработке методик испытаний и последующей оценке свойств алюминиевых сплавов авиационного назначения, оценке металлургических факторов и прогнозирования поведения исследуемых сплавов при их эксплуатации в морских субтропиках.

Во второй главе изложены методические вопросы проведения коррозионных испытаний, оценки коррозионных поражений материалов и влияния коррозионных поражений на служебные свойства испытанных материалов. В качестве объекта исследований выбраны различные полуфабрикаты, широко применяемые в авиационных конструкциях алюминиевых деформируемых сплавов с различными режимами термообработки: Д16, Д19, АК4−1, В95, 1201, В93, В95оч, 1933, В93пч, В96ЦЗ, 7010, 7050.

В третьей главе даны исследования по оценке микроклимата испытательной площадки: проанализированы термо-влажностные характеристики, концентрации ионов хлора в зависимости от удаления от моря и высоты над уровнем моря. Выведены уравнения регрессии, описывающие изменения концентрации хлоридов как по удаленности от моря, так и по высоте. Совместное решение этих уравнений позволило получить обобщенное уравнение зависимости изменения ионов хлора, характеризующее зоны равных концентраций хлоридов. Определены концентрации солей и величина рН морской воды на различных расстояниях от берега, даны сведения по относительной влажности в зоне испытательной площадки. Здесь же дана методика и приведены результаты исследований по определению температуры образцов. Приведены результаты электрохимических исследований в растворах с различной концентрацией NaCl и морской соли.

В четвертой главе изложены результаты экспериментов, посвященных особенностям коррозии образцов сплава Д16Т, испытанных на различных расстояниях от моря и различных высотах. В результате исследований установлено, что десятикратное снижение концентрации ионов хлора в воздухе (50 м и 2000 м от моря) приводит к снижению площади коррозионных поражений в 3 раза, глубины коррозионных поражений в 9 раз и скорости коррозии в 25 раз. Так же показано, что с ростом высоты над уровнем моря снижается и скорость коррозии этого сплава. На различных расстояниях от моря проведены испытания на трещинностойкость образцов сплава Д16Т и установлено, что снижение концентрации хлоридов приводит к снижению скорости распространения трещины, показано, что для более высоких уровней коэффициента интенсивности напряжений ярче проявляется степень агрессивности среды на скорость развития коррозионной трещины.

Пятая глава посвящена исследованиям коррозионной стойкости различных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Мп, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu. Проведен анализ изменения механических и усталостных характеристик после длительных коррозионных испытаний, определены характер и глубина коррозионных поражений в зависимости от режимов термообработки полуфабрикатов. Рассмотрена возможность применения закалки в горячую воду для снижения внутренних закалочных напряжений и установлено, что повышение температуры закалочной воды не снизило коррозионной стойкости сплавов. Для сравнения приведены результаты испытаний американских сплавов 7010 и 7050. Показано, что по комплексу свойств наши сплавы превосходят зарубежные аналоги. Для всех испытанных высокопрочных алюминиевых сплавов получены математические модели, характеризующие зависимость коррозионных потерь от длительности испытаний.

Исследована сравнительная коррозионная стойкость прессованных и гнутых из плакированных листов профилей (сплав В95пчТ2) и установлено, что образцы, изготовленные из прессованного профиля, в отличие от гнутых профилей проявили склонность к РСК, которая оценивается 5−7 баллом. Скорость коррозии прессованного профиля в 7−10 раз выше, чем гнутых профилей, полученных из плакированного листа.

На образцах плакированных и неплакированных листов сплава Д16Т исследованы защитные свойства анодно-окисных и химически оксидированных покрытий, показано, что глубина и площадь коррозионных поражений анодированных образцов значительно меньше, чем химически оксидированных.

В шестой главе показано внедрение результатов исследований. Испытания в течение 10 лет гребенок усиленного крыла самолета ТУ-154 позволили установить, что виброупрочнение в сочетании с анодированием значительно снижает склонность этих деталей к расслаивающей коррозии. Здесь же рассмотрены защитные свойства систем лакокрасочных покрытий, применяемых в качестве штатных на различных деталях и узлах. Результаты исследований коррозионной стойкости гнутых из плакированных листов и прессованных профилей из сплава В95пчТ2 учтены при проектировании новых самолетов КБ «Туполева А.Н.». Основные методические разработки по теме диссертации вошли в изданное отраслевое методическое руководство «Испытание авиационных материалов в условиях морского субтропического климата». Результаты многолетних испытаний различных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в условиях морских субтропиков вошли в паспорта на материалы ВИАМ.

Диссертационная работа заканчивается общими выводами и библиографией, посвященной тематике по методам коррозионных испытаний материалов и оценке их свойств.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведены исследования и разработаны математические модели, описывающие изменение концентрации ионов хлора в зависимости от удаления от моря и высоты над уровнем моря, показано, что концентрация хлоридов с увеличением расстояния от моря и высотой над уровнем моря убывает по экспоненциальной зависимости. Это может быть использовано для выбора мест стоянки самолетов в прибрежной зоне.

2. Установлено, что интенсивность коррозии алюминиевых сплавов с увеличением расстояния от моря и высотой над уровнем моря падает, что, в основном, связано со снижением концентрации ионов хлора.

3. По результатам многолетних испытаний определена скорость коррозии, глубина и характер коррозионных поражений различных полуфабрикатов алюминиевых сплавов Д16ч (Т, Т1), Д19чТ, АК4−1 (Tl, Т2), 1201 (Tl, Т2, ТЗ), В93пч (Tl, Т2, ТЗ), В95пч (Tl, Т2, ТЗ) и установлено их влияние на прочностные и усталостные характеристики материалов. Показано, что усталостная долговечность и относительное удлинение являются наиболее чувствительными характеристиками, оценивающими работоспособность сплавов в натурных условиях. Показано благоприятное влияние плакировки и смягчающих режимов старения на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов в условиях морского субтропического климата.

4. Исследовано влияние температуры закалочной воды в интервале 40−80°С и последующих режимов старения на коррозионную стойкость крупногабаритных штамповок из сплавов В95оч, В93оч с Zr, В93пч и установлено, что закалка в горячую воду не снижает коррозионную стойкость этих сплавов. Предложены уравнения регрессии для расчёта и прогнозирования коррозионных потерь во времени.

5. Проведены исследования коррозионной стойкости прессованных и гнутых из плакированного листа профилей сплава В95пчТ2- установлена повышенная коррозионная стойкость в 7−10 раз гнутых плакированных профилей по сравнению с прессованными.

6. Разработан метод комплексной оценки климатической стойкости алюминиевых сплавов авиационного назначения, включающий коррозионные испытания, анализ коррозионных поражений и последующее определение механических и усталостных характеристик.

7. Разработано отраслевое методическое руководство «Испытание авиационных материалов в условиях морского субтропического климата».

8. Полученные результаты по коррозионной стойкости и механическим свойствам после коррозионных испытаний алюминиевых сплавов внесены в отраслевую документацию (паспорта №№ 284- 553- 739- 945- 1002- 1458- 1460- 1472).