Влияние межоперационного хранения образцов на результаты металлографической оценки межкристаллитной коррозии

Введение

Алюминиевые сплавы занимают основное место среди конструкционных материалов, применяемых в авиационной технике [1]. На протяжении длительного времени в отечественном авиастроении в качестве обшивки планера широко используются деформируемые алюминиевые сплавы марок 1163 и 1441 [2].

Сплав 1163 относится к классу высокоресурсных дюралюминов системы Al–Cu–Mg повышенной чистоты. Благодаря сниженному содержанию примесей железа и кремния он обладает высокими характеристиками усталостной долговечности и трещиностойкости, что определяет его широкое применение в обшивке фюзеляжа и других силовых элементах планера современных отечественных воздушных судов. Наличие меди в качестве основного легирующего элемента неизбежно повышает склонность данного сплава к межкристаллитной коррозии (МКК) [3, 4]. Указанный вид локального коррозионного поражения является одним из наиболее опасных, поскольку развивается преимущественно вдоль границ зерен, не сопровождается явными внешними признаками и способен приводить к существенному снижению механических свойств и преждевременному разрушению деталей в условиях эксплуатации [5, 6].

Сплав 1441 представляет собой среднепрочный высокомодульный алюминий-литиевый сплав второго поколения системы Al–Cu–Mg–Li. Введение лития обеспечивает снижение плотности до 2,6 г/см³ и повышение модуля упругости по сравнению с традиционными дюралюминами, что в сочетании с высокими ресурсными характеристиками (сопротивлением усталости и трещиностойкостью) определяет его применение в качестве альтернативы сплаву 1163 для обшивки фюзеляжа, стрингерного набора и элементов внутреннего набора планера [7, 8]. Листы из сплава 1441 серийно применяются в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200, а его использование обеспечило снижение массы конструкции планера на 10 % [9]. Вместе с тем присутствие меди в составе сплава также обусловливает его склонность к МКК, что требует строгого контроля данной характеристики на всех этапах производства и сертификации полуфабрикатов.

Определение склонности к МКК в обязательном порядке входит в перечень характеристик, устанавливаемых при паспортизации материала, а предельные значения данного показателя регламентируются нормативными документами на алюминиевые полуфабрикаты (ТУ, ГОСТ). Стойкость к МКК является одной из ключевых характеристик, учитываемых при разработке режимов термической обработки наряду с требованиями к механическим и технологическим свойствам, а также при отработке изготовления новой номенклатуры полуфабрикатов с использованием перспективных металлургических единиц оборудования [10–12].

На территории РФ основным нормативным документом, регламентирующим порядок проведения ускоренных испытаний алюминиевых сплавов на склонность к МКК, является ГОСТ 9.021–74. Вместе с тем стандарт не содержит требований к условиям и срокам хранения образцов в период между завершением коррозионных испытаний и изготовлением микрошлифов, что может оказывать влияние на результаты металлографической оценки характера поражений.

Цель данной работы – исследование влияния продолжительности и условий межоперационного хранения образцов после ускоренных испытаний на склонность к МКК на характер коррозионных поражений, оцениваемых по результатам металлографического анализа, на примере сплавов 1163-Т1 и 1441-РТ1.

Материалы и методы

Для проведения исследований использованы образцы (с геометрическими размерами 20×10×3 мм) из алюминиевых сплавов 1441-PT1 (система Al–Cu–Mg–Li) и 1163-T1 (система Al–Cu–Mg). Образцы обработаны в соответствии с ГОСТ 9.021–74 (п. 2.4), плакирующий слой полностью удален с обеих сторон путем травления в 10%-ном растворе NaOH с последующей выдержкой в 30%-ном растворе HNO₃.

Испытания на склонность к МКК проводили в соответствии с ГОСТ 9.021–74 в растворе № 2 (состав раствора: 58 г/дм³ NaCl + 10 см³/дм³ 33%-ного Н₂О₂) при температуре 30±0,5 °С, продолжительность испытаний составила 6 ч. Для приготовления раствора № 2 использовали очищенную воду с электропроводностью ≤5 мкСм/см, а химические реактивы – со степенью чистоты не менее «Ч». Емкости с раствором помещали в термошкаф с принудительной конвекцией и рабочим диапазоном температур от 25 до 250 °С. После испытаний образцы промывали в проточной холодной воде в течение 15 мин, после чего высушивали в термошкафу при температуре 105 °С в течение 30 мин.

Для изготовления микрошлифов взяты части образцов, предварительно вырезанные на ручном отрезном станке. В качестве охлаждения использована синтетическая охлаждающая жидкость (СОЖ), коррозионно-нейтральная к алюминиевым сплавам, при скорости отрезного диска 2000 об/мин.

Микрошлифы испытанных образцов изготавливали путем горячей запрессовки (по режиму: нагрев при 160 °С и давлении 25 МПа в течение 10 мин, охлаждение в течение 5 мин) в термопластичную акриловую смолу с высокой оптической прозрачностью. После запрессовки проводили шлифовку с последовательным уменьшением зернистости шлифовальной поверхности (рабочая жидкость – вода) с 65 до 9 мкм, с финальной полировкой на дисках из фетра с использованием полировальных жидкостей с размером частиц 3 и 1 мкм.

Металлографические исследования готовых микрошлифов испытанных образцов проводили на инвертированном микроскопе с увеличением до ×200.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

В РФ основным нормативным документом, регламентирующим ускоренные испытания на МКК алюминиевых сплавов, является ГОСТ 9.021–74. Но в данном документе отсутствует информация по межоперационному интервалу между испытаниями и изготовлением микрошлифов. В ГОСТ 6032–2017 «Методы испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии» при выявлении МКК металлографическим методом также отсутствует данная информация. Зарубежный стандарт ASTM G110-92 устанавливает процедуры подготовки образцов и условия проведения испытаний, но в нем также отсутствуют требования к срокам и условиям хранения образцов после испытаний до металлографической подготовки. Аналогично стандарт ISO 11846:1995 не регламентирует требования по условиям и срокам хранения образцов после испытаний. Отсутствие данной информации в изученных нормативных документах может приводить к расхождениям в результатах испытаний и разногласиям исследователей в оценке стойкости материалов к МКК.

Для проведения исследований по возможному влиянию условий и сроков хранения испытанных образцов перед изготовлением микрошлифов выбраны алюминиевые сплавы 1163-Т1 и 1441-РТ1, подготовку и испытания которых проводили согласно ГОСТ 9.021–74. Выбраны следующие условия и сроки хранения:

• выдержка в эксикаторе над силикагелем при постоянной температуре 22,4±0,5 °С в течение 1; 3 и 12 ч;
• выдержка в условиях умеренного климата промышленной атмосферы при постоянной температуре 22,1±0,5 °С и влажности 27,2±2,0 % в течение 1; 3 и 12 ч;
• в цеховых условиях производства при воздействии остаточной агрессивной атмосферы, при постоянной температуре 22,6±0,5 °С и влажности 24,7±2,0 % в течение 1; 3 и 12 ч.

В качестве нулевой точки сравнения процесс изготовления микрошлифов проводили сразу после операции сушки образцов. Для каждого условия испытаний взято по 3 образца на точку каждого сплава. Исследование микрошлифов проводили при увеличении ×200. Анализу подвергали весь периметр микрошлифа каждого образца с фиксацией характера и глубины коррозионных поражений и последующим определением среднего и максимального значений. Результаты исследований микрошлифов по глубине коррозионных поражений приведены в таблице.

По результатам исследований выявлена закономерность увеличения средних значений глубины коррозионных поражений в зависимости от условий и продолжительности хранения:

• для сплава 1163-T1: 27, 34 и 49 % относительно нулевой точки при хранении в эксикаторе; 25, 49 и 50 % при хранении в условиях умеренного климата промышленной атмосферы; 46, 54 и 57 % при хранении в цеховых условиях производства при воздействии остаточной агрессивной атмосферы;
• для сплава 1441-PT1: 24, 55 и 56 % относительно нулевой точки при хранении в эксикаторе; 40, 85 и 83 % при хранении в условиях умеренного климата промышленной атмосферы; 65, 93 и 94 % при хранении в цеховых условиях производства при воздействии остаточной агрессивной атмосферы.

Данные результаты указывают на продолжающиеся процессы коррозионного разрушения в глубине металла после операций по промывке и сушке. В интервале от 1 до 3 ч процессы наиболее активны, к 12 ч коррозионное разрушение практически прекращается.

При хранении образцов в эксикаторе в условиях минимальной влажности средняя глубина коррозионных поражений наиболее низкая – от 27 до 49 % для сплава 1163-T1 и от 24 до 56 % для сплава 1441-PT1 относительно нулевого значения. Промежуточные значения глубины достигаются при хранении в условиях умеренного климата промышленной атмосферы: от 25 до 50 % для сплава 1163-T1 и от 40 до 83 % для сплава 1441-PT1. Наибольшие значения глубины обнаружены при хранении в цеховых условиях производства при воздействии остаточной агрессивной атмосферы: от 46 до 57 % для сплава 1163-T1 и от 65 до 94 % для сплава 1441-PT1.

Для алюминиевого сплава 1163-T1 характерен плавный рост средней глубины коррозионных поражений: от 25 до 57 % от нулевых значений в зависимости от условий и продолжительности хранения, для сплава 1441-PT1 – от 24 до 94 %.

Следует отметить, что наибольшие значения средней глубины коррозионных поражений при хранении в цеховых условиях не объясняются одной лишь влажностью атмосферы: зафиксированная в цехе относительная влажность (24,7±2,0 %) меньше, чем в условиях умеренного климата промышленной атмосферы (27,2±2,0 %). Следовательно, определяющее значение имеет не столько содержание влаги в воздухе, сколько загрязненность атмосферы агрессивными компонентами – парами кислот, аэрозолями СОЖ и технологической пылью, присутствующими в производственных помещениях. Данные вещества, адсорбируясь на поверхности образцов и в полостях коррозионных трещин, по-видимому, усиливают агрессивность остаточной среды и интенсифицируют процесс вторичного коррозионного растрава.

Максимальная обнаруженная глубина коррозионных поражений не демонстрирует устойчивой корреляции со средними значениями, условиями хранения и продолжительностью выдержки.

Типичные изображения отдельных межкристаллитных коррозионных поражений для сплава 1163-T1 приведены на рис. 1, для сплава 1441-PT1 – на рис. 2.

Заключения

Установлена закономерность в изменении результатов испытаний в зависимости от условий и продолжительности хранения. При хранении образцов после операции сушки до 3 ч включительно средняя глубина межкристаллитных коррозионных поражений увеличивается вплоть до 54 % относительно нулевой точки для сплава 1163-Т1 и до 93 % – для сплава 1441-РТ1. В интервале от 3 до 12 ч рост глубины замедляется до 57 % относительно нулевой точки для сплава 1163-Т1 и до 94 % – для сплава 1441-РТ1.

Увеличение средней глубины коррозионных поражений, по-видимому, связано с тем, что МКК – это не поверхностный процесс. Трещины от МКК представляют собой узкие капиллярные каналы, уходящие вглубь материала, в которых происходит капиллярное удержание остатков испытательного раствора. Поэтому промывка проточной водой даже под давлением может не полностью очищать коррозионные поражения. Последующая сушка удаляет свободную влагу с поверхности начальных слоев коррозионных поражений, при этом возможна концентрация оставшихся нелетучих компонентов в виде хлоридов, что может локально повышать коррозионную агрессивность и приводить к нежелательному растраву.

Наблюдаемый характер кинетики вторичного коррозионного растрава – активный рост в интервале от 0 до 3 ч с последующим выходом на насыщение – согласуется с гипотезой об ограниченном объеме испытательного раствора, захваченного в капиллярных каналах МКК-трещин. По мере расходования этого объема раствора агрессивные компоненты исчерпываются, и скорость коррозионного процесса снижается до незначительных значений. Примечательно, что при хранении в эксикаторе над силикагелем насыщение также достигается за 3 ч, но общий прирост глубины оказывается наименьшим. Это подтверждает тот факт, что скорость вторичного коррозионного процесса определяется прежде всего количеством остаточного реагента в трещинах, а не поступлением влаги извне, тогда как внешняя влажность и загрязненность атмосферы лишь дополнительно интенсифицируют процесс.

Сравнение двух исследованных сплавов показывает существенное различие в характере их чувствительности к условиям межоперационного хранения. Для сплава 1163-Т1 характерен более умеренный прирост средней глубины – от 25 до 57 % относительно нулевой точки в зависимости от условий, тогда как для сплава 1441-РТ1 прирост составляет от 24 до 94 %. Более высокая чувствительность сплава 1441-РТ1 может быть обусловлена особенностями его микроструктуры: равномерно распределенные мелкодисперсные поражения формируют значительно большую суммарную площадь капиллярных каналов, удерживающих остатки испытательного раствора, что ведет к интенсивному и относительно равномерному вторичному растраву. У сплава 1163-Т1, напротив, характерно наличие единичных аномально глубоких поражений при меньшем общем приросте средней глубины, что указывает на локализованный характер вторичной коррозии в зонах наиболее протяженных трещин.

Результаты по максимальной выявленной глубине коррозии не демонстрируют устойчивой корреляции относительно испытанного сплава, условий и продолжительности хранения образцов. Вероятно, оценка МКК только по параметру максимальной глубины является недостаточной для качественной оценки материалов и деталей на склонность к МКК.

Оценка МКК по максимальной и средней глубине может давать противоположные результаты в зависимости от условий и продолжительности хранения, особенно для разных сплавов. Значит, при несовпадении условий испытаний и межоперационных параметров, результаты испытаний, проведенные в различных лабораториях и разными испытателями, могут быть потенциально несопоставимы.

Для исключения расхождений в трактовке результатов при проведении ускоренных испытаний на МКК необходимы единые строгие требования по проведению испытаний, параметрам операций подготовки и хранения, а также оценка металлографическим методом не только максимальной, но и средней глубины коррозии. Наиболее предпочтительны следующие условия: изготовление микрошлифов должно происходить не позднее чем через 1 ч после операции сушки, они должны храниться в эксикаторе над силикагелем.

Данные выводы рекомендуются для рассмотрения при актуализации нормативной документации по проведению ускоренных испытаний на МКК алюминиевых сплавов.