1 前言

军用飞机服役的特点是95%以上的时间在机场停放，而5%以内的时间处于飞行执勤或训练状态。在机场停放期间飞机结构材料会遭受机场大气环境的腐蚀作用，尤其在沿海地区和内陆湿热地区大气腐蚀的影响更为突出。飞机结构承力件在飞机飞行期间则主要受交变载荷的影响，此时腐蚀环境因素的影响通常较轻，可以忽略。因此，军用飞机结构的失效主要是地面腐蚀和空中交变载荷交替作用下的承载性能的退化现象，由此影响飞机的使用寿命和安全可靠性^[1,2]。

为建立飞机结构实际服役条件下的寿命评定体系，必须编制合理的载荷/环境谱，研究飞机结构在载荷/环境谱作用下的失效规律和机制^[3]。目前，国内外^[4]-[6]在编制飞机结构加速实验载荷/环境谱时多参照美国空军制定的适用于亚热带沿海地区服役环境的飞机结构的涂层加速实验环境谱和实验程序 (简称CASS谱^[7])，但是CASS谱中一个加速实验周期当量于飞机外场使用1 a的时间 (年谱)，这与飞机实际中较为频繁的使用情况不符，因而所得结果往往偏保守^[8,9]，但是这种采用长周期当量时间的实验方法对飞机结构疲劳寿命影响规律的研究鲜见报道。此外，在腐蚀环境谱模块中所采用的腐蚀实验方法也不统一，有的采用湿热与盐雾腐蚀交替方式进行^[10]，有的则采用周期浸润腐蚀方法^[11]，有的仅采用盐雾腐蚀单一的方式^[12]。显然，不同的腐蚀方式所造成的腐蚀损伤不同，机理也存在差异，因此，腐蚀方式对飞机结构金属材料的疲劳性能的影响也值得探讨。

基于上述背景，本文选择飞机结构用典型铝合金2A12-T4为研究对象，以1 a当量时间为总实验周期，研究腐蚀与疲劳加载交替循环频次 (或月谱)、腐蚀方式 (包括周期浸润腐蚀、盐雾腐蚀、盐雾腐蚀+湿热腐蚀) 对飞机金属结构材料疲劳性能退化的影响规律，探讨内在作用机理，拟为科学合理地编制飞机结构载荷/环境谱和建立飞机金属结构寿命评定体系及加速实验方法提供依据。

2 实验方法

2.1 实验材料

实验用2A12-T4铝合金为厚度为2.5 mm的包铝板材，热处理状态为490 ℃淬火+自然时效，其化学成分 (质量分数，%) 为：Cu 4.50，Mg 1.42，Mn 0.74，Fe 0.26，Si 0.19，Zn 0.13，Ti 0.05，Al余量。力学性能参数为：抗拉强度473.8 MPa，屈服强度342.0 MPa，伸长率11.0%，弹性模量69.6 GPa。

首先，从2A12-T4铝合金板材上截取试样毛坯，并用10%NaOH (质量分数) 溶液将试样毛坯上的包铝层腐蚀掉，然后按图1所示的试样尺寸进行机械加工，试样的所有表面经水砂纸逐级打磨至1200#，表面粗糙度R_a=0.4 μm。用丙酮超声波清洗吹干后待用。

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图1   试样尺寸

Fig.1   Specimen dimension (unit: mm)

2.2 实验步骤

2.2.1 腐蚀与疲劳交替实验 腐蚀与疲劳交替实验参照美国空军CASS谱和有关文献^[13]，并结合作者对海南万宁实验站海洋大气环境暴露实验与实验室加速实验的对比结果确定实验条件，实验室加速腐蚀实验采用周期浸润实验方法，周期浸润腐蚀实验192 h等效于在沿海环境中暴露1 a的腐蚀作用，即16 h的室内周期浸润加速腐蚀实验当量于外场暴露1个月的实验效果。本文设计的腐蚀与疲劳交替实验方案如图2所示，整个循环相当于飞机在外场服役1 a的时间。为了探讨飞机实际服役中频繁的执勤情况对飞机结构铝合金抗疲劳行为的影响规律，腐蚀当量时间N分别取2，3，6和12个月，对应的室内加速腐蚀实验时间分别为32，48，96和192 h，当N为12个月时与CASS谱规定的年谱是一致的。

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图2   腐蚀与疲劳交替实验方案

Fig.2   Alternate test scheme of corrosion and fatigue

周期浸润腐蚀实验利用ZQFS-1200型周期浸润实验箱进行，腐蚀介质槽中注入5%NaCl (质量分数) 酸性溶液 (用稀硫酸调整至pH=4)，以模拟酸性海洋大气环境，温度40 ℃；气相环境中相对湿度RH=95%，以模拟潮湿大气和凝露环境，温度40 ℃。以30 min作为一个干-湿交变周期，试样浸泡在腐蚀槽中7.5 min，处于气相环境中22.5 min。

疲劳实验利用GPS100高频疲劳实验机在室温环境下进行，加载方式为拉-拉方式，加载条件参照CASS谱，即最大应力σ_max取110 MPa，应力比R取0.18。平行试样取3件。

预实验结果表明，当连续腐蚀实验进行192 h，即腐蚀当量时间N为12个月时，2A12-T4铝合金试样的平均疲劳寿命为1.11667×10⁵次，为了保证腐蚀与疲劳不同交替循环周期条件下铝合金试样疲劳寿命的合理匹配，规定对应月当量腐蚀时间 (16 h) 的疲劳加载循环次数M为1×10⁴次。

2.2.2 腐蚀方式对比实验 对比的腐蚀方式包括盐雾腐蚀、“湿热+盐雾”循环腐蚀和周浸腐蚀3种，每种腐蚀方式的持续时间均取192 h，对按上述3种腐蚀方式腐蚀后的试样进行疲劳实验，直至断裂，对比其疲劳寿命长短，平行试样为3件。

盐雾腐蚀实验在SYIQ-750型盐雾实验箱中进行，腐蚀介质为5%NaCl溶液 (用稀硫酸调节到pH=4)，温度40 ℃，盐雾沉降量为 (1~2) mL/(h80 cm²)。湿热实验在SY-750型湿热实验箱中进行，腐蚀介质为蒸馏水 (pH=7)，温度40 ℃，相对湿度RH=95%。湿热与盐雾交替腐蚀方式为湿热实验48 h＋盐雾腐蚀48 h，共进行两个循环。周期浸润腐蚀实验条件同1.2.1节所述。

采用ZEISS SUPRA 55型场发射扫描电子显微镜 (SEM) 对试样表面腐蚀形态和疲劳断口特征进行观察与分析。

3 结果与讨论

3.1 交替频次对铝合金疲劳寿命的影响

图3所示为腐蚀与疲劳交替频次 (或当量周期) 对2A12-T4铝合金试样疲劳总寿命影响的实验结果。可以看到，随着腐蚀与疲劳交替频次的增加 (或当量周期时间的减小)，铝合金试样的疲劳总寿命呈现出逐步递增的变化趋势，与年谱 (腐蚀与疲劳交替1次) 实验条件相比，腐蚀与疲劳分别交替2，4和6次 (N依次为6，3和2个月腐蚀当量时间) 时的铝合金试样的疲劳总寿命依次增加16.9%，30.7%和50.3%。图3中柱状图上所标区段表示不同循环周期内疲劳实验循环周次。

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图3   腐蚀与疲劳交替频次对铝合金疲劳寿命的影响

Fig.3   Influence of corrosion/fatigue alternate frequency on fatigue life of aluminum alloy

图4所示为各实验条件试样的典型疲劳断口形貌。可以看到，疲劳裂纹均起源于试样表面腐蚀坑处 (箭头所示)，随后疲劳裂纹向试样的纵深处扩展。同时可以看到，试样断口均呈现出多疲劳源特征，并且随腐蚀与疲劳交替频次的减少试样疲劳源数目呈现出增加的变化趋势。即连续腐蚀时间愈长，试样疲劳裂纹愈易于萌生，由此导致试样的总疲劳寿命减少。

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图4   腐蚀与疲劳交替不同频次试样的断口形貌

Fig.4   Fracture morphologies of specimens after corrosion/fatigue alternating tests for 6 cycles (a), 4 cycles (b), 2 cycles (c) and 1 cycle (d)

图5所示为对应图4疲劳断口上最大腐蚀区的微观形貌。腐蚀与疲劳交替1，2，4和6次，试样疲劳断口最大腐蚀区深度分别为136，239，303和368 μm。可以看出，随着腐蚀与疲劳交替循环次数的增加，疲劳试样断口上腐蚀区深度逐步增大。对于腐蚀当量时间为12个月 (即交替1次) 的试样，腐蚀区完全由预腐蚀造成，由此成为疲劳裂纹的源区；而对于腐蚀与疲劳分别交替2，4和6次的试样，断口腐蚀区是腐蚀与疲劳交替循环造成的，既包括腐蚀的贡献，也包括疲劳裂纹扩展的贡献，显然腐蚀与疲劳循环次数愈多，腐蚀区域愈深，即腐蚀与疲劳交替进行所占铝合金试样总损伤的份额愈大。

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图5   腐蚀与疲劳交替不同频次试样的断口最大腐蚀区形貌

Fig.5   SEM morphologies of maximum corrosion area on fracture surface of specimens after corrosion/fatigue alternating tests for 6 cycles (a), 4 cycles (b), 2 cycles (c) and 1 cycle (d)

3.2 腐蚀方式对铝合金疲劳寿命的影响

图6为3种腐蚀方式对2A12-T4铝合金试样疲劳寿命的影响。可以看到，湿热与盐雾循环预腐蚀试样的疲劳寿命最长 (1.61717×10⁵次)，其次为周期浸润预腐蚀试样 (1.11663×10⁵次)，而盐雾预腐蚀试样的疲劳寿命最短 (1.01053×10⁵次)，前二者分别比盐雾预腐蚀试样的疲劳寿命高60.1%和10.5%。

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图6   腐蚀方式对铝合金疲劳寿命的影响

Fig.6   Influence of corrosion methods on fatigue life of aluminum alloy

图7和8所示分别为盐雾预腐蚀试样和湿热与盐雾循环预腐蚀试样疲劳断口形貌及断口最大腐蚀区微观形貌。采用周期浸润，盐雾和湿热+盐雾3种预腐蚀方式后，试样疲劳断口最大腐蚀区深度分别为135.6，154.7和127.9 μm。

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图7   不同腐蚀方式试样断口形貌

Fig.7   Fracture morphologies of specimens after alternating tests of salt spray corrosion (a) and salt spray-hygrothermal corrosion (b) with fatigue

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图8   不同腐蚀方式试样疲劳断口腐蚀区形貌

Fig.8   Corrosion morphologies of fracture surface of specimens after alternating tests of salt spray corrosion (a) and salt spray-hygrothermal corrosion (b) with fatigue corrosion methods

与图4d和5d所示周期浸润预腐蚀试样断口形貌对比可以看到，盐雾预腐蚀试样断口疲劳裂纹源数量最多，腐蚀区域深度最大，周期浸润预腐蚀试样次之，湿热+盐雾预腐蚀试样断口上疲劳裂纹源数量最少，腐蚀区域深度最小。这与图6所示的各实验条件下试样的疲劳寿命结果是一致的，即疲劳源愈多，腐蚀区域深度愈大，则疲劳寿命愈低。

3.3 讨论

3.3.1 腐蚀方式对铝合金疲劳性能的影响 图9给出了采用3种腐蚀方式进行腐蚀实验后试样的表面形貌。可以看到，周期浸润预腐蚀和盐雾预腐蚀试样的腐蚀程度严重，特别是盐雾预腐蚀试样表面腐蚀最严重，表面覆盖较厚的腐蚀产物，腐蚀产物呈现多孔、开裂和局部脱落特征。相比之下湿热与盐雾循环预腐蚀实验试样表面腐蚀较轻，腐蚀产物膜较薄。

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图9   不同腐蚀方式试样表面腐蚀形貌

Fig.9   Surface corrosion morphologies of specimens after alternate immersion corrosion (a), salt spray corrosion (b) and salt spray-hygrothermal corrosion (c)

分析表明，2A12-T4铝合金表面腐蚀产物由Al₂O₃组成，相对于铝合金基体为阴极相，由于腐蚀产物缺陷多，不仅不能有效保护基材，相反由于大阴极 (腐蚀产物)-小阳极微电池效应，加速腐蚀产物脱落或开裂处暴露铝合金基材的腐蚀，由此导致铝合金表面呈现出局部点腐蚀特征。去除试样表面腐蚀产物后可见，盐雾腐蚀试样表面点腐蚀最为严重，其次是周期浸润预腐蚀试样，而湿热与盐雾循环预腐蚀试样表面点腐蚀程度较轻。

图10给出3种腐蚀方式试样去除腐蚀产物后表面最大腐蚀坑的三维立体显微形貌。

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图10   不同腐蚀方式试样表面最大腐蚀坑的三维立体显微形貌

Fig.10   3D microscopic morphologies of the maximum corrosion pits on the surfaces of specimens after alternate immersion corrosion (a), salt spray corrosion (b) and salt spray-hygrothermal corrosion (c)

3种腐蚀方式对2A12-T4铝合金试样的腐蚀机理不同，造成的腐蚀损伤程度不同，因而对其疲劳性能的影响大小也不同。盐雾预腐蚀实验中铝合金试样始终处于盐雾环境中，试样表面存在连续的酸性5%NaCl水膜，由于该水膜较薄，氧溶解充分，故耗氧腐蚀易于发生，加之水膜中H⁺和Cl^-的促进作用，使得2A12-T4铝合金试样的腐蚀损伤程度大，并主要表现为严重的点腐蚀现象，由此显著降低了2A12-T4铝合金的疲劳抗力。周期浸润预腐蚀实验由酸性NaCl水溶液中的浸泡腐蚀和高湿度酸性大气环境腐蚀循环过程组成，当铝合金试样浸泡在5%NaCl酸性水溶液中时，由于O在水溶液中的溶解度很小，尽管水溶液的成分、温度与盐雾腐蚀条件一致，但耗氧腐蚀难度比盐雾腐蚀条件大，因而该过程中铝合金试样的腐蚀程度较小；当铝合金试样处于高湿度的气相时，试样表面会形成一层酸性水膜，耗氧腐蚀易于发生，但由于气相中不存在NaCl介质，故气相中的腐蚀也不及盐雾腐蚀苛刻。由此可见周期浸润预腐蚀实验对2A12-T4铝合金试样的腐蚀损伤程度比盐雾预腐蚀轻。湿热与盐雾循环预腐蚀方式中的盐雾腐蚀过程与单一盐雾腐蚀完全一致，然而由于铝合金试样一半的时间处于中性蒸馏水形成的潮湿大气中，虽然属于潮湿大气腐蚀过程，但是试样表面水膜中既不存在Cl^-，也不存在过多的H⁺，因而铝合金试样在该过程中的腐蚀程度明显比盐雾腐蚀中的轻。同时，湿热与盐雾循环预腐蚀的综合效果也比周期浸润预腐蚀实验对铝合金的腐蚀程度小。上述原因导致盐雾腐蚀使2A12-T4铝合金试样的疲劳抗力降低的最为显著，其次是周期浸润预腐蚀，而湿热与盐雾循环预腐蚀的影响最小。

由于不同的腐蚀方式对铝合金试样的腐蚀作用机制不同，对其疲劳抗力的影响程度也存在较大的差异，因而在航空结构或其他工程装备服役环境谱编制的模块中应根据具体服役环境的特点，选取合理的腐蚀方式。

3.3.2 交替频次对铝合金疲劳性能的影响 2A12-T4铝合金试样在腐蚀与疲劳交替循环实验中经受腐蚀和疲劳载荷的相继作用，在总的腐蚀当量时间相同的条件下，腐蚀与疲劳循环次数不同，损伤机制也不同，因而铝合金试样的疲劳总寿命存在明显的差异。

对于年谱 (N为12个月) 实验条件，2A12-T4铝合金试样连续经历192 h周期浸润腐蚀后进行疲劳实验直至试样断裂，该条件下腐蚀过程使2A12-T4铝合金试样表面产生较深的广布腐蚀坑 (图4d，5d和10a所示)，这些腐蚀坑成为疲劳裂纹的萌生源，由此导致2A12-T4铝合金试样疲劳裂纹易于萌生，因此其疲劳寿命较短。对于月谱 (N分别为2，3和6个月) 实验条件，腐蚀与疲劳作用的交替次数在2次以上，这种情况下腐蚀与疲劳的损伤效应彼此存在影响，一方面腐蚀过程会导致铝合金表面产生点蚀坑，造成局部应力集中，成为疲劳裂纹的萌生源，进而促进疲劳破坏；另一方面，对于已经存在疲劳裂纹的铝合金试样，裂纹内部闭塞电池效应与裂纹尖端塑性变形造成的化学活性提高效应的联合作用既会促进疲劳裂纹的发展^[14]，也会因腐蚀作用使裂纹尖端曲率半径变大，导致裂纹尖端钝化，对于随后的疲劳加载过程中裂纹的发展起到了减缓作用，同时裂纹表面上腐蚀产物的堆积还会引起裂纹闭合效应，这同样会降低疲劳裂纹扩展驱动力，因此，腐蚀对疲劳破坏过程有双重影响作用^[15-19]。疲劳过程会在铝合金表面产生驻留滑移带，造成未变形-变形金属腐蚀微电池效应，同时疲劳交变载荷会导致铝合金表面腐蚀产物膜发生破坏，造成小阳极 (暴露的铝合金基材)-大阴极 (腐蚀产物覆盖区) 电偶效应，这均会促进铝合金表面局部腐蚀的发生，进而促进疲劳破坏。然而，腐蚀与疲劳交替循环频次不同，上述交互影响状况则有所不同。当腐蚀与疲劳交替循环频次较多时，腐蚀作用时间较短，如循环次数为6次的实验条件，单次腐蚀持续时间仅为32 h，首次腐蚀或初期循环中的腐蚀作用难以造成引发疲劳裂纹的点腐蚀损伤，因而随后的疲劳加载实验接近纯机械疲劳过程，机械疲劳损伤机制占主导，故铝合金疲劳抗力的潜力得以充分发挥；在后期循环中腐蚀既有促进疲劳破坏的功能，同时也存在延缓疲劳损伤的影响，双重作用的彼此抵消，对疲劳破坏的促进作用并不是十分显著 (对比循环次数分别为2，4和6次的最后剩余疲劳寿命可以发现彼此差异并不大)；此外疲劳实验过程中铝合金表面吸附的水分丢失，这也有利于缓解腐蚀作用的发挥。上述几个方面的综合作用使得腐蚀与疲劳交替循环频次愈多，铝合金试样的疲劳总寿命愈长。然而，对于腐蚀与疲劳仅交替1次的实验条件来说，腐蚀持续作用时间较长 (192 h)，导致2A12-T4铝合金试样表面产生大量的腐蚀坑，由此引发随后疲劳实验中多裂纹源的产生 (图4d)，显著缩短了铝合金试样的疲劳裂纹萌生寿命，由于本文实验条件下各试样均属于高周疲劳破坏范畴，裂纹萌生寿命在总疲劳寿命中所占比例较高，由于预腐蚀显著降低了疲劳裂纹萌生寿命，故导致试样总疲劳寿命显著降低。

军用飞机的环境/载荷谱与飞机的具体实际服役状况密切相关，因此本文上述实验结果和分析可为完善飞机环境/载荷谱的编制及提高加速实验数据与飞机服役性能退化规律之间的相关性提供依据。

4 结论

(1) 在腐蚀总时间相同的条件下，腐蚀与疲劳交替频次对2A12-T4铝合金疲劳寿命有重要影响，随着交替频次的增加，铝合金疲劳寿命逐渐增大，循环交替2，4和6次时铝合金试样的疲劳寿命分别比交替1次试样的疲劳寿命增大16.9%，30.7%和50.3%。因此，为了编制科学合理的军用飞机环境/载荷谱，应根据飞机的实际服役状况确定腐蚀与疲劳实验的合适当量周期或对现有年谱进行合理的当量折算。

(2) 3种腐蚀方式对2A12-T4铝合金疲劳寿命有重要的影响，依影响程度从大到小排序为：盐雾预腐蚀＞周期浸润预腐蚀＞盐雾与湿热循环预腐蚀。因此，在飞机或其他工程装备服役环境谱编制的模块中应根据具体服役环境特点，选取合理的腐蚀方式。

(3) 腐蚀与疲劳交替频次或腐蚀方式对2A12-T4铝合金疲劳寿命的影响规律与腐蚀因素对疲劳破坏所起权重大小及内在机制密切相关。

参考文献

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