Прогнозирование потерь прочностных свойств листовых деформируемых алюминиевых сплавов с применением интегрального коэффициента коррозионного разрушения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Изготовление из алюминиевых сплавов ответственных несущих деталей воздушных судов требует исключения даже минимальных рисков потери прочности и несущей способности материала конструкции. К приоритетным задачам современного материаловедения относится проведение климатических испытаний алюминиевых сплавов с комплексной оценкой изменения свойств для обеспечения безопасности эксплуатации изделий АТ [1, 2].

Долговечность работы материала в изделии в процессе эксплуатации определяется его механическими свойствами и стойкостью к воздействию окружающей среды. Необходимость учета коррозионного влияния на механические и усталостные свойства материала диктуется требованиями, которыми руководствуются КБ при проектировании авиационных конструкций - Нормами летной годности [3].

Определение степени коррозионной стойкости металлических материалов в атмосферных условиях является сложной задачей ввиду многогранности параметров коррозионных свойств, их различной значимости в части влияния на механические свойства, чувствительности к изменению агрессивности коррозионного воздействия, а также необходимости проведения длительных испытаний для получения достоверной оценки возможного поведения материала в процессе эксплуатации. В настоящей работе проведено исследование комплекса коррозионных характеристик перспективных алюминиевых сплавов при испытаниях натурно-ускоренным методом, позволяющим прогнозировать коррозионные потери материалов в жестких условиях эксплуатации, т.е. в условиях повышенной влажности и высокого содержания хлорид-ионов в атмосфере [4]. Данный вид испытаний позволяет оценить склонность к наиболее опасным видам коррозионного разрушения алюминиевых сплавов за 1-2 года испытаний, в то время как при испытаниях в условиях открытой атмосферы требуются более длительные сроки экспозиции (не менее 10 лет).

На основании полученных результатов разработан метод определения потерь прочности конструкций из листовых деформируемых алюминиевых сплавов на участках с нарушенным слоем покрытия при наличии коррозионных поражений неразрушающими методами контроля при проведении профилактических и ремонтных мероприятий по обслуживанию изделий АТ.

Методика проведения натурно-ускоренных испытаний и материалы для исследований.

Как известно, с коррозионной точки зрения наиболее агрессивными являются морские условия, характеризующиеся повышенным содержанием в атмосфере ионов хлора [5-6]. В настоящей работе испытания проводились в ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова [7], расположенном на берегу Черного моря. Экспозиция образцов под навесом за счет отсутствия попадания осадков и солнечных лучей позволяет накапливать хлориды на поверхности образца и обеспечивает стабильную кинетику коррозионного процесса, что делает процесс климатических испытаний более контролируемым и независимым от колебания метеопараметров. Для предотвращения стекания наносимого раствора и увеличения продолжительности увлажнения поверхности было выбрано горизонтальное расположение образов на атмосферном стенде.

Сроки экспозиции установлены по геометрической прогрессии в соответствии с ГОСТ 9.905-82: 3, 6 мес., 1, 2, 4 года. В период отрицательных температур облив образцов не проводился (что в условиях умеренно теплого климата ГЦКИ составляет не более 20 дней в году).

Экспозиция образцов проводилась без облива и с ежедневным однократным нанесением мелкодисперсного раствора морской соли в концентрации 5 г/л методом распыления.

Для испытаний были применены листы толщиной ~2 мм деформируемых алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Li (сплавы В-1461Т1, В-1469Т1), Al-Zn-Mg (1913Т3), Al-Zn-Mg-Cu (В96ц3пчТ12), Al-Mg-Li (1424ТГ1).

Результаты натурно-ускоренных испытаний.

По результатам проведенных исследований установлено, что увеличение площади коррозионного поражения способствует повышению степени удержания хлоридов, осаждаемых на поверхности образцов, что в свою очередь повышает скорость коррозии (таблица 1). При испытаниях с обливом количество хлоридов на поверхности образцов и скорость коррозии в 2-4 раза больше по сравнению с образцами без облива.

Таблица 1. Количество хлоридов на поверхности образов в сопоставлении с размером коррозионных очагов и потерями массы после 4 лет испытаний

При оценке склонности сплавов к межкристаллитной и питтинговой коррозии установлено, что после 4х лет натурно-ускоренных испытаний (что эквивалентно ~ 15 годам натурных) наибольшие значения глубины питтинга характерны для сплавов В96ц3пчТ12 и 1913Т3, наибольшие значения МКК - для 1441Т1 и 1370Т1 (рис. 1). На сплавах 1424Т1 и 1913Т3 за период проведения испытаний МКК обнаружено не было.

Рис. 1 - Глубина межкристаллитной и питтинговой коррозии алюминиевых сплавов после 4-х лет натурно-ускоренных испытаний

Расслаивающая коррозия (РСК) была зафиксирована на 3-х сплавах из 8-ми: для сплава 1441Т1 и В96ц3пчТ12 после 4х лет испытаний с обливом РСК составила 8 баллов. Для В-1341Т1 начало развития РСК зафиксировано только после 3х лет натурно-ускоренных испытаний, после 4 лет экспозиции склонность к РСК составила 6 баллов.

При оценке изменения механических свойств (испытания на осевое растяжение при 200) установлено, что потери прочностных свойств не превышают 15-20 % после 4х лет натурно-ускоренных испытаний, за исключением сплава 1441Т1, для которого получила развитие МКК и РСК (рис. 2). Наибольшие потери мех.свойств характерны для сплавов, склонных к МКК (1370Т1, 1441Т1) и РСК (В96ц3пчТ12, 1441Т1). Наименьшие потери мех.свойств получены для сплава 1913Т3.

Рис. 2 - Потери механических свойств алюминиевых сплавов после 4х лет натурно-ускоренных испытаний

Метод расчета интегрального коррозионного коэффициента.

Предлагается 2 метода расчета интегрального коэффициента: для стандартных образцов (метод А) и для конструктивных элементов, изготовленных из листовых алюминиевых сплавов (метод Б). Схема расчета интегрального коэффициента приведена на рис. 3.

Рис. 3 - Принципиальная схема расчета интегрального коррозионного коэффициента по методу А и Б

коррозионный долговечность интегральный

1. Расчет интегрального коэффициента Ккс1 по методу А

Для расчета интегрального коррозионного коэффициента Ккс1 по методу А проводится оценка по показателям потери массы, глубине и характеру межкристаллитной коррозии, склонности к расслаивающей коррозии, глубине питтинговой коррозии, площади коррозионных поражений и максимальному диаметру коррозионных очагов. Подробный метод расчета по методу А приведен в [8].

Проведено определение индекса Ккс1 для исследованных алюминиевых сплавов (таблица 2). По результатам интегральной оценки установлено, что наибольшей коррозионной стойкостью по совокупности коррозионных потерь обладают сплавы 1424Т1 и 1913Т3, средней -
В-1469Т1, В-1341Т1, В-1461Т1, В96ц3пчТ12, низкой - 1370Т1 и 1441Т1. Приведенный в Таблице 2 коэффициент ускорения рассчитан как отношение времени до коррозионного разрушения, соответствующего определенному индексу Ккс1, при испытаниях с обливом по отношению к испытаниям без облива.

Таблица 2. Интегральный коррозионный коэффициент алюминиевых сплавов после 1, 2 и 4-х лет натурно-ускоренных испытаний без облива и с обливом раствором морской соли в конц. 5 г/л

По результатам 4х лет натурно-ускоренных испытаний образцов алюминиевых сплавов были установлены значения потерь механических свойств (ув, у0,2, д), соответствующие индексу интегрального коэффициента по шкале от 1 до 7 (таблица 3, рис. 4).

Таблица 3. Соответствие индекса интегрального коэффициента диапазону прочностных потерь

Рис. 4 - Соответствие индекса интегрального коэффициента потерям механических свойств

2. Расчет интегрального коэффициента Ккс2 по методу Б

Для расчета коэффициента Ккс2 листовых деформируемых алюминиевых сплавов, примененных в качестве конструкционного материала в изделии, оценка проводится по показателям питтинговой коррозии (наличие и максимальный очаг определяются капиллярным методом контроля), межкристаллитной коррозии (наличие МКК определяется с помощью вихретокового контроля), и склонности к расслаивающей коррозии.

Измерение глубины питтинга предпочтительно проводить неразрушающими методами контроля (например, лазерной сканирующей микроскопией [9]), т.к. данный метод позволяет оценить глубину очага с гораздо большей точностью по сравнению с металлографическим методом.

Глубина и характер МКК оценивается по ГОСТ 9.021.

Склонность к РСК оценивается в баллах по ГОСТ 9.904. В работе [10] показано, что определенная лабораторным методом (в растворе по ГОСТ 9.904) склонность к РСК в некоторой степени коррелирует с результатами 2х лет натурно-ускоренных испытаний. Однако вся опасность данного вида коррозии заключается в том, что она (в отличие, например, от МКК) не тормозится со временем, и мы видим увеличение расслаивающей коррозии с увеличением срока экспозиции. Потому при проведении осмотров конструктивных элементов изделий АТ необходимо уделять особое внимание конструкциям из алюминиевых сплавов, которые при проведении стендовых и лабораторных испытаний образцов показали склонность к РСК, т.к. даже небольшое повреждение покрытия может способствовать доступу активной среды и развитию РСК под покрытием. Среди алюминиевых сплавов наиболее подвержены РСК полуфабрикаты, применяемые в качестве силового набора планера, которые в составе конструкции часто находятся в скрытых и плохо вентилируемых полостях, что способствует образованию застойных зон.

На сегодняшний день отсутствуют методы определения глубины МКК неразрушающими методами контроля с высокой точностью измерения, которые можно было бы использовать при проведении плановых осмотров изделий АТ. Однако проведенные исследования показывают, что вихретоковый метод контроля может быть использован для установления факта наличия МКК в алюминиевых сплавах: по результатам исследований вихретоковый контроль показал наличие дефекта только на образцах, подверженных МКК.

При определении индекса МКК по методу Б предлагается использовать значения, полученные на образцах-свидетелях алюминиевого сплава, идентичного по толщине листа, составу и термической обработке материалу, примененному в конструкции, по результатам натурно-ускоренных испытаний после прекращения роста ее глубины (для исследованных алюминиевых сплавов этот срок составил порядка
6-12 мес. натурно-ускоренных испытаний).

Для расчета по методу Б градацию значений глубины питтинга проводят в соответствии с таблицей 4. Расчет интегрального коэффициента Ккс2 проводят по индексам М и П с поправкой на РСК (таблица 5).

Таблица 4. Градация значений максимальной глубины питтинга для расчета Ккс2

Таблица 5. Интегральный коррозионный коэффициент Ккс2

Таким образом, при оценке параметров коррозионного разрушения в конструкциях из алюминиевых сплавов (при нарушении защитного слоя покрытия) с использованием неразрушающих методов контроля возможно оценить диапазон прочностных потерь в месте разрушения конструкции, соответствующих рассчитанному интегральному коэффициенту. Впоследствии полученная информация послужит основой принятия решения о проведении ремонтных операций, либо замене конструктивного элемента. В целом комплекс данных мероприятий позволит повысить эффективность предупреждающих мер по обнаружению и своевременному ремонту/замене потенциально опасных элементов конструкций, подвергнутых в процессе эксплуатации коррозионному разрушению, которые могут повлиять на снижение несущей способности (ресурса) конструктивного элемента.

Выводы:

1. Показано, что методика проведения натурно-ускоренных испытаний образцов на атмосферном стенде в горизонтальном положении под навесом с распылением раствора морской соли обуславливает инициирование и ускорение коррозионного процесса в ~4 раза по сравнению с испытаниями в открытой атмосфере.

2. Разработана методика расчета интегрального коррозионного коэффициента двумя методами: для образцов алюминиевых сплавов после натурных, натурно-ускоренных или имитационных испытаний (метод А) и для конструкций с применением неразрушающих методов контроля (метод Б). По результатам 4х лет натурно-ускоренных испытаний установлены диапазоны потерь механических свойств (ув, у0,2, д), соответствующие индексу интегрального коэффициента по шкале от 1 до 7 для листовых деформируемых алюминиевых сплавов.

3. Установлено, что наибольшей коррозионной стойкостью после 4х лет испытаний обладают сплавы 1424Т1 и 1913Т3 (К1 и К2), средней -
В-1461Т1, В-1469Т1, В-1341Т1 и В96ц3пчТ12 (К3-5), наименьшей - 1370Т1 и 1441Т1 (К6-К7).

Литература

1. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М. Обзор зарубежного опыта исследований коррозии и средств защиты от коррозии //Авиационные материалы и технологии. 2015. №2. С. 76-87.

2. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.

3. Гриневич А.В., Луценко А.Н., Каримова С.А. Расчетные характеристики металлических материалов с учетом влажности// Труды ВИАМ. 2014. № 7. С.10.

4. Курс М.Г., Каримова С.А. Натурно-ускоренные испытания: особенности методики и способы оценки коррозионных характеристик алюминиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 51-57.

5. Семенычев В.В. Коррозионная стойкость листов сплава Д16ч.-Т в морских субтропиках // Труды ВИАМ. 2014. № 7. С.11.

6. Жирнов А.Д., Стрекалов П.В., Каримова С.А., Жиликов В.П., Тарараева Т.И., Мищенков Е.Н. Сезонная динамика процесса коррозии металлов на береговой зоне Черного моря // Коррозия: материалы, защита. 2007. № 8. С. 23-29.

7. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М., Панин С.В. Коррозионная агрессивность приморской атмосферы. Ч.1. Факторы влияния (обзор) //Коррозия: материалы, защита. 2013. № 12. С. 6-18.

8. Курс М.Г. Обобщенный коэффициент коррозионной стойкости деформируемых алюминиевых сплавов//В сборнике: Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях: проблемы и перспективы. Сборник докладов II Всероссийской научно-технической конференции. ФГУП «ВИАМ». Москва, 2015. С. 16

9. Исходжанова И.В., Орлов М.Р., Григоренко В.Б., Лаптева М.А. Применение метода конфокальной лазерной сканирующей микроскопии для исследования коррозионных повреждений //Труды ВИАМ. 2015. № 4. Ст. 11.

10. Курс М.Г., Фомина М.А. Исследование закономерностей коррозионного разрушения деформируемых алюминиевых сплавов при лабораторных и натурных испытаниях// В сборнике «Фундаментальные исследования и последние достижения в области литья, деформации, термической обработки и защиты от коррозии алюминиевых сплавов». Сборник докладов конференции. ФГУП «ВИАМ». Москва, 2015 г. С.21.

Размещено на Allbest.ru