2025-02-11 11:15:47
水下訓(xùn)練用艙外航天服（以下簡(jiǎn)稱水下訓(xùn)練服）是航天員在地面水下實(shí)驗(yàn)室模擬失重狀態(tài)進(jìn)行出艙活動(dòng)任務(wù)訓(xùn)練的專用航天服[1]。為保證訓(xùn)練效果,水下訓(xùn)練服是在“飛天”艙外航天服基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的,硬結(jié)構(gòu)為某牌號(hào)鋁合金薄壁殼體,狀態(tài)基本保持一致。鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)在服役過程中,在持續(xù)內(nèi)壓力作用下,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[2-3],出現(xiàn)了微泄漏問題。水下訓(xùn)練服訓(xùn)練保障任務(wù)多,但研制成本極高,安全性、可靠性指標(biāo)要求嚴(yán),針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行故障模式與失效機(jī)理研究,探明失效機(jī)理,提出有效的防護(hù)措施,對(duì)延長(zhǎng)水下訓(xùn)練服使用壽命,降低訓(xùn)練成本,提高訓(xùn)練安全性、可靠性和穩(wěn)定性都十分必要。
筆者結(jié)合水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的微泄漏問題,采用鋁合金試樣,在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬水下訓(xùn)練服實(shí)際使用時(shí)遇到的干濕交替、恒應(yīng)力等工況,通過表面腐蝕形貌觀察、拉伸性能測(cè)試、斷口分析等方法,探明了薄壁結(jié)構(gòu)的故障模式與失效機(jī)理,以期為后續(xù)水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出依據(jù)。
采用與水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)為同批次的某牌號(hào)Al-Mg合金板材作為試樣材料,試樣尺寸為1.5 mm×20 mm×150 mm。
在干濕交替實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。根據(jù)地面訓(xùn)練水下實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)條件模擬水下訓(xùn)練服使用的實(shí)際工況（以下簡(jiǎn)稱模擬水下訓(xùn)練服工況）,濕態(tài)環(huán)境介質(zhì)為含0.3 mg/L氯離子,pH為8的水溶液。加載條件：采用兩點(diǎn)彎曲法,根據(jù)GB/T 15970.2-2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第2部分：彎梁試樣的制備和應(yīng)用》,恒定施加100 MPa的應(yīng)力載荷（參考水下訓(xùn)練服硬結(jié)構(gòu)的實(shí)際平均受力）。試驗(yàn)過程：將鋁合金試樣在濕態(tài)環(huán)境中全浸潤(rùn)10 min然后置于干態(tài)空氣中50 min,作為一個(gè)周期,交替循環(huán),箱體溫度保持30 ℃,相對(duì)濕度為80%~90%,試驗(yàn)時(shí)間分別為7,21,35,42 d。
采用Nova NanoSEM450型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察腐蝕試驗(yàn)后試樣的表面形貌。根據(jù)HB 5143-1996《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》,采用MTS Landmark 100型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)腐蝕不同時(shí)間的鋁合金試樣進(jìn)行拉伸-斷裂力學(xué)性能測(cè)試,拉伸速率為5 mm/min,試驗(yàn)后分析試樣的抗拉強(qiáng)度,并采用掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。
如圖1所示：試驗(yàn)7 d后,鋁合金試樣表面逐漸出現(xiàn)深度較淺的點(diǎn)蝕形貌；試驗(yàn)21 d后,表面點(diǎn)蝕密度與深度逐漸增加,在點(diǎn)蝕坑周圍出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積,點(diǎn)蝕坑已有一定的深度；試驗(yàn)35 d后,隨著腐蝕坑深度的擴(kuò)展,在應(yīng)力加載的作用下,試樣表面沿著晶粒延長(zhǎng)方向形成裂紋,腐蝕坑和裂紋周圍都生成了乳白色的腐蝕產(chǎn)物；試驗(yàn)42 d后,試樣表面腐蝕程度進(jìn)一步加重,點(diǎn)蝕坑周圍微裂紋數(shù)量增加,且在進(jìn)一步擴(kuò)展,點(diǎn)蝕坑間出現(xiàn)貫穿裂紋并逐漸相交,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕形貌。結(jié)果表明,該試樣的表面腐蝕形貌與鋁合金在含Cl-環(huán)境中的腐蝕形貌相符。
電解質(zhì)溶液中存在能破壞鈍化膜活性的Cl-,點(diǎn)蝕是由活化陰離子吸附在表面鈍化膜中的某些缺陷處引起的。當(dāng)達(dá)到點(diǎn)蝕電位時(shí),表面膜薄弱區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度較高,使Cl-穿透薄膜形成氯化物。鈍化膜局部區(qū)域被破壞,膜破損區(qū)域的金屬基體成為陽(yáng)極,其電流高度集中,未破損的膜成為陰極,形成腐蝕電池加速腐蝕,形成蝕孔[4]。當(dāng)蝕孔內(nèi)的氧耗盡,孔內(nèi)只進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng),很快就積累了帶正電的金屬離子,并發(fā)生如式（1）所示的反應(yīng),形成的自催化作用加速了腐蝕進(jìn)程。
應(yīng)力對(duì)點(diǎn)蝕的萌生和生長(zhǎng)起到誘導(dǎo)和推動(dòng)作用[5]。隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng),點(diǎn)蝕越來(lái)越密集,點(diǎn)蝕坑不斷向縱深方向發(fā)展,腐蝕逐漸加重。在蝕坑內(nèi)部應(yīng)力集中的作用下,裂紋在點(diǎn)蝕坑處萌生,且裂紋數(shù)量逐漸增加[6]。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,出現(xiàn)貫穿的趨勢(shì),最終導(dǎo)致材料斷裂。
從圖2可以看出,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,試樣的抗拉強(qiáng)度在不斷降低。由表1可知,經(jīng)7,21,35,42 d應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后,鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度相比材料進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)時(shí)的分別下降4.24%、6.77%、11.65%、13.55%,說(shuō)明隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),材料的抗拉強(qiáng)度逐漸下降[7]。
由圖3可見：未腐蝕的鋁合金試樣斷口亞表面位置韌窩較多,且分散較為均勻,為典型的韌性斷裂形貌,說(shuō)明鋁合金拉伸過程中受力狀態(tài)較為均勻,且力學(xué)性能較好；經(jīng)過7 d腐蝕試驗(yàn)后,試樣斷口上有明顯的點(diǎn)蝕坑,點(diǎn)蝕坑周圍和近表層區(qū)域呈塊狀斷面,遠(yuǎn)離點(diǎn)蝕坑的區(qū)域有明顯的頸縮現(xiàn)象,斷口表面分布著較多的韌窩,斷面上發(fā)生了明顯的塑性流動(dòng)；經(jīng)過21 d腐蝕試驗(yàn)后,試樣出現(xiàn)了明顯“V”形塊狀斷面,“V”形斷面與點(diǎn)蝕坑的形狀吻合,說(shuō)明斷口位置由于點(diǎn)蝕作用發(fā)生力學(xué)性能下降,在拉伸應(yīng)力下萌生裂紋并迅速擴(kuò)展,最終誘發(fā)斷裂失效；經(jīng)35 d和42 d腐蝕試驗(yàn)后,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),點(diǎn)蝕坑尺寸逐漸增大,試樣的塊狀斷面面積逐漸增大,說(shuō)明點(diǎn)蝕坑對(duì)斷口的影響進(jìn)一步加深。
綜上所示,隨著腐蝕試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),點(diǎn)蝕坑越來(lái)越深,對(duì)鋁合金試樣斷口的影響逐漸加深,以點(diǎn)蝕坑為中心向周圍輻射的斷面面積逐漸增大,這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合?？梢酝茢?隨著腐蝕試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),材料抗拉強(qiáng)度不斷下降,在點(diǎn)蝕坑處會(huì)萌生裂紋,在恒應(yīng)力的作用下,裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致試樣斷裂。
（1）水下訓(xùn)練服鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)在使用過程中易發(fā)生點(diǎn)蝕,點(diǎn)蝕是造成基體材料抗拉強(qiáng)度下降的主要原因,在各種工況的應(yīng)力（充壓、裝配等）作用下,點(diǎn)蝕坑處萌生微裂紋,從而在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的微泄漏問題。
（2）針對(duì)上述問題,提出以下建議：對(duì)于裸露在水槽中的水下訓(xùn)練服薄壁結(jié)構(gòu),需要增加陽(yáng)極化或緩蝕劑處理工藝進(jìn)行防護(hù)；對(duì)于使用中出現(xiàn)磕碰破壞陽(yáng)極化層的部位,及時(shí)采用硬膜緩釋劑進(jìn)行修復(fù)；增加水下訓(xùn)練服薄壁承壓結(jié)構(gòu)的厚度；在使用后增加純凈水沖洗操作,去除金屬表面殘留的Cl-,并快速干燥,嚴(yán)格控制存放環(huán)境的溫度和濕度。
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