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      1. 業界視點 | 查小琴:發展鋁合金環境適應性試驗及評價技術 助力裝備安全服役
        2019-09-19 15:04:58 作者:韓鑫 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:

        作為結構材料,鋁合金因密度低、比強度高、加工性能優良,被廣泛應用在航海、航空、航天及軌道交通裝備上,如船舶、飛機、運載火箭、高速列車和水下兵器等,目前采用鋁合金替代鋼來制造汽車車身的研制工作也在如火如荼地進行。鋁合金環境適應性試驗及評價技術就是為了研究、分析、判斷鋁合金在服役過程中是否滿足環境適應性定量和定性的指標所開展的試驗及評價工作,其對于預防鋁合金提前失效而保證裝備安全服役具有非常重要的意義。


        為了全面了解鋁合金及其服役失效特點,以及鋁合金環境適應性試驗及評價等方面的相關知識,記者特邀請到中國船舶重工集團公司第七二五研究所試驗測試與計量技術研究中心疲勞腐蝕斷裂試驗室主任查小琴高工做相關方面的精彩解讀。

        中國船舶重工集團公司第七二五研究所試驗測試與計量技術研究中心(以下簡稱“中船重工七二五所測試技術研究中心”)是中國船級社認可的唯一一家“船舶材料驗證試驗中心”,中國國家認證認可監督管理委員會(CMA)和中國合格評定認可委員會(CNAS)聯合認定的“中國船舶工業船舶材料技術檢測中心”,國防科工局認定的國防計量校準機構,并獲得美國國家航空航天及國防合同PRI(NADCAP) 認證,為國家裝備安全服役提供了大量數據和技術支撐。復雜、惡劣海洋環境下的材料環境適應性試驗和評價技術開發已形成了特色的專業方向,在鋁合金環境適應性試驗及評價技術方面,已建立了適用于不同領域的多套試驗和評價技術方案,主要涵蓋船舶、航空、軌道交通和汽車等行業。

        記者:請您談談鋁合金的發展歷程、目前在各領域的應用情況及應用中存在問題?

        查小琴高工:鋁合金的發展主要以航空航天需求為背景,按照鋁合金的成分- 工藝- 組織- 性能特征,發展歷程大體劃分為5 個階段,即第一代高靜強度鋁合金,第二代高強耐蝕合金,第三代高強、高韌、耐蝕鋁合金,第四代高強高韌耐蝕、高耐損傷鋁合金,以及新一代高強、高韌、低淬火敏感性鋁合金。從時間上講,第一代鋁合金從1935 年開始,主要是隨著鋁合金沉淀硬化效應的發現和峰值時效技術的發展產生的,典型的代表為2024-T3、7075-T6 和7178-T6 鋁合金;第二代鋁合金從20 世紀50 年代到60 年代,主要是基于過時效原理,使晶界相不連續析出的T73,T76 時效熱處理技術更好的協調了鋁合金的高強度與耐蝕性能,7075-T73/T76 等為第二代高強耐腐蝕鋁合金的典型代表。再到20 世紀60 年代,合金純凈化和微合金化理論和技術推動了第三代高強高韌高耐蝕鋁合金的發展,通過大幅度降低Fe、Si 等雜質含量,使粗大初生相和過剩相數量減少,尺寸細化,使合金具有高強度的同時,也具有優異的斷裂韌性,典型代表有7454-T74、7050-T74、2519-T87 鋁合金;特別要說明的,此階段,高比強度和高比模量材料的需求也推動了Al-Li 合金的研制和應用,典型的代表有1420、2090/2091、8090;第四代高強、高韌、耐蝕、高耐損傷鋁合金材料的研發主要在上世紀80 年代末至90 年代末,主要是利用三級時效精密熱處理技術,實現了不犧牲合金強度的同時,滿足斷裂韌性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能要求的目標,超強高韌耐蝕的7055-T77 是典型代表;新一代高強高韌低淬火敏感性鋁合金的產生和發展是在對鋁合金構件整體化、大型化(可避免大量傳統鉚接,提高可靠性)強烈需求牽引下產生的,通過成分調控、發展先進的噴淋淬火等可控快冷技術發展了以7040、7085、7140 和7081 為代表的高強高韌低淬火敏感性新一代鋁合金。綜上所述,我們可以看出,鋁合金的發展歷程也就是其綜合性能(特別是環境適應性)逐漸提高的歷程,從最初僅對靜強度有要求,發展到對腐蝕性能、疲勞性能、斷裂韌度及加工等綜合性能均有較高要求,更好地適用于復雜、惡劣環境下服役。

        根據服役環境的差異,各領域用鋁合金類別也不完全相同,航空領域用鋁合金主要涉及2xxx 系(Al-Cu)、7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu),其他系列的鋁合金,如6xxx 系(Al-Mg-Si)、Al-Li 合金等也有一定應用,但總體用量較少;在航天領域,除上述系列外,還包括3xxx 系(Al-Mn)、5xxx 系(Al-Mg); 在船舶上大量應用的為5xxx 系鋁合金,中強7xxx 系鋁合金也有一定應用;軌道交通領域,車體結構材料多數用7xxx 系和6xxx 鋁合金,地板則常用5 xxx 鋁合金。

        需要指出的是,軌道交通領域用為低Cu的7xxx 系(含銅量0.2% 左右)鋁合金,其主要為提高焊接性能,航空則更多用高Cu(含銅量2% 左右)的7xxx 鋁合金。

        鋁合金在各個領域應用,存在通用問題,也有個性問題,通用問題主要是指復雜服役環境下的環境適應性問題,應該說,各領域用鋁合金的損傷、失效均與其環境適應問題息息相關,且隨著應用領域越來越廣泛,服役環境越來越復雜,表現的越來越明顯;個性問題主要是指由于服役環境及選用材料的差異,而表現出的具有領域特色的環境適應性問題,如航空航天領域用鋁合金的環境誘導開裂(EAC)問題;高鐵用鋁合金的應力腐蝕開裂(SCC)問題;船舶用5000 系鋁合金的局部腐蝕問題(包括點腐蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕以及應力腐蝕)等。目前,為解決各領域用鋁合金的環境適應性問題,除從材料設計、選材、防護上下功夫外,發展適應各個領域的環境適應性試驗和評價技術也非常重要,其不但可對裝備安全服役提供技術支撐,也可促進材料設計、工藝及防護工藝的提升。

        記者:請您介紹下鋁合金環境適應性試驗及評價技術,中船重工七二五所在鋁合金環境適應性試驗及評價上具備什么能力?

        查小琴高工:鋁合金環境適應性試驗和評價技術就好比飛行員體檢和考核方法。試驗技術是為了研究、分析和評價鋁合金的環境適應性而采用的試驗手段;評價技術是為了判斷材料在服役過程中是否滿足材料環境適應性定量和定性的指標開展工作所采用的手段。鋁合金環境適應性評價的可信水平,不完全取決于試驗技術,也取決于試驗和評價人員的工作經驗、知識水平以及獲取和分析各種信息的能力。

        鋁合金環境適應性試驗技術按試驗的環境條件分,可以分為實驗室環境試驗,自然環境試驗和使用環境試驗,其中實驗室環境試驗又可以分為單因素環境試驗和綜合環境試驗。按材料環境損傷的機理分,可以分為疲勞試驗、磨損試驗、腐蝕試驗以及斷裂試驗,這種基于機理的試驗直接根據材料的環境損傷機理進行,目前各實驗室環境試驗基本按此進行分類。鋁合金環境適應性試驗還可按試驗性質分為模擬試驗和加速試驗,按試驗手段分為實物試驗和虛擬仿真試驗等。中船重工七二五所測試技術研究中心目前的鋁合金環境適應性試驗 技術涵蓋了以上分類,自然環境或海洋裝備使用環境模擬試驗在青島、三亞和廈門海洋試驗站進行,可開展鋁合金加載或非加載試樣及構件海水全浸、周浸、沖刷、暴曬、噴淋等試驗;實驗室環境單因素試驗包括鋁合金晶間腐蝕、剝落腐蝕、點腐蝕、電化學腐蝕、疲勞、斷裂韌性等實驗室加速試驗方法;實驗室環境綜合因素試驗更具有專業特色,如力與環境耦合的腐蝕疲勞、應力腐蝕還有拉扭腐蝕疲勞試驗等,近階段又開發出適合整體壁板或結構用多通道加載腐蝕疲勞試驗系統及大型多環境耦合試驗箱,如圖1 為多通道加載腐蝕疲勞試驗系統照片,該設備可實現構件在鹽霧環境下、全浸環境下的靜態和動態三維加載試驗,環境試驗箱的尺寸為2m×2m×2m,試驗平臺的尺寸為8m×8m×8m。

        鋁合金的環境適應性評價方法可分為直接評價法、相似產品法、加速試驗法、試驗評價法、仿真法、長期監測法等,其中直接評價法是根據環境適應基礎數據來開展評價工作,是一種最基本的評價方法,在基礎數據和實際情況有差別時,往往用“極值”理論加以分析,即用惡劣環境下的數據評價在溫和條件下環境適應性是否可接受,故結果是保守的;相似產品法是根據相似裝備的相似環境、相似結構所得到的數據來估計環境適應性,故結果有時候會與實際情況有偏差;加速試驗法是利用加速試驗的方法快速評定環境適應性能,其結果的準確性往往取決于方法的模擬性、加速性和重現性;試驗評價法是將材料置于典型的自然環境、使用環境或者實驗室環境中,評價其環境適應性。目前加速試驗法和試驗評價法在鋁合金環境適應性評價上應用最多;仿真分析法由于準確率不好把控,長期監測法由于時間較長,目前在實驗室還處于技術完善階段,在工程上應用還不是特別多。中船七二五所測試技術研究中心在鋁合金環境適應性評價技術上,更多的是采用直接評價法、加速試驗法以及試驗評價法,必要情況下,也將這幾種試驗方法綜合應用并結合相關信息來得到較為可信的結果,這些試驗和評價方法在各個領域承擔的項目中得到較好的應用。

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        圖1 多通道加載腐蝕疲勞試驗系統
         
        記者:中船重工七二五所測試技術研究中心先后承擔了涉及多個領域的鋁合金環境適應性試驗及評價項目,能否跟我們詳細分享一下項目的具體情況及所取得的成果,并談談這些科研成果或技術帶來的社會效益和經濟效益。

        查小琴高工:中船重工七二五研究所從上世紀60 年代初開始,就緊跟我國艦船裝備發展需求,承擔了多項船用系列5000 系鋁合金和7000 系鋁合金性能評價項目,通過這些項目建立了適用于船用鋁合金的環境適應性試驗和評價技術且編制了十余份國標、軍標及行業規范;“十三五”期間又承擔了船用新型鋁合金應用研究項目,對于船用鋁合金整體壁板的環境試驗及評價也建立了一套完整的試驗方案;2013 年,中船重工七二五所測試技術研究中心開始研究軌道交通和航空用鋁合金的環境適應性試驗和評價技術且開展了該領域用系列鋁合金的性能試驗和評價工作,六年來,所承擔的橫向項目超過30 余項,涉及到的材料批次超過40 個,不僅包括進口5000 系、6000 系、7000 系鋁合金,還包括國內諸多廠家不同階段生產的5000 系、6000 系、7000 系鋁合金,分析了這幾個系列鋁合金的服役損傷特點,且在此基礎上建立了適用高速列車用7000 系鋁合金的慢應變速率應力腐蝕試驗方法、強氧化劑腐蝕環境中的四點彎曲應力腐蝕試驗方法和適用航空用7000 系鋁合金的EAC 和KIEAC 試驗方法,6000 系鋁合金的晶間腐蝕試驗方法和 5000 系鋁合金的晶間腐蝕性能評價
        方法,為我國的高速列車及航空的快速發展提供了有利的技術保障,為高速列車及航空裝備的安全服役提供了數據支撐;日前,中心也開始著手汽車用7xxx鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭的應力腐蝕性能試驗和評價技術及腐蝕疲勞試驗技術研究,將推進鋁合金在汽車上應用研究進程。通過這些項目的研究,中心所獲的科研經費超過3000 萬元,經濟效益非常可觀。圖2 為中心具備的鋁合金性能測試及評價能力,具體采用方案根據行業特點及評價目的進行。
         
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        圖2中心具備的鋁合金性能測試及評價能力
         
        記者:您們團隊從事多年,鋁合金環境適應性試驗和評價技術開發及應用,請您介紹一下對您印象深刻的科研經歷及典型案例并發表一下您的看法和見解?

        查小琴高工: 多年來,我們團隊一直致力于鋁合金環境適應性試驗和評價技術開發及應用,為各領域裝備的安全服役提供了技術保障及數據支撐。成績的取得得益于我們團隊的大膽創新、攻堅克難和永不言敗的精神。下面結合近階段兩項試驗和評價技術建立來談談看法和見解。

        航空用7000 系鋁合金的EAC 和KIEAC 試驗方法,可以更好地模擬服役環境,比傳統的應力腐蝕測試方法更具有應用優勢。但該技術建立之初,由于國內外資料可借鑒內容不多,所遇到的試樣加載松弛監測及在環境中裂紋缺口張開位移測量等難題困擾團隊較長時間,采用傳統方法的解決方案多次探究均以失敗告終,團隊成員大膽創新,通過引入應變測量DIC 技術和裂紋長度測量DCPD 技術取得較好效果,并通過反復修改和試驗驗證,最終成功建立EAC和KIEAC 測試方法且應用。

        為了適應鋁合金構件整體化和大型化的發展趨勢,建立一套測試和評價鋁合金整體壁板及大型構件疲勞腐蝕性能的環境適應性試驗系統是“十三”五期間的關鍵任務,團隊通過查找資料雖確定了以多通道協調加載設備與腐蝕環境相結合方式來實現,但非標鹽霧箱設計、鹽霧箱與多方向作動器接口處理等不太好實施。調研、溝通、確定設計思路、放棄方案、再溝通、再確定設計思路… 如此反復,應該說最終方案確定之前,更改的方案多達10 余次。否定并不是做不到,而是追求精益求精,在保證設備功能不打折扣同時保證設備易操作、外形美觀,最終借助CAE 軟件繪制三維效果圖確定采用拼接式箱體、柔性接口等設計方案解決關鍵難點問題,整個設計具有極強的創新性及前瞻性,保證了鋁合金大型結構用疲勞腐蝕雙因素耦合試驗系統的可實施性及最終建成,為國家“十三”五重點項目的實施提供了技術支撐。

        總之,在鋁合金環境適應性試驗和評價技術開發的過程中,像以上的案例還有很多。測試方法和評價技術的建立,固然需要技術上的突破和創新,但對于我們團隊來說,更得益于我們一直以來秉承的“滴水能把石穿透,萬事功到自然成”的工作理念和精神。

        記者:請您談談與國外相比,我國鋁合金及其環境適應性試驗和評價技術發展的走向?

        查小琴高工: 我國鋁合金的發展主要受國內各領域裝備發展的牽引作用和國外相關技術發展所推動,一代材料一代裝備,為支撐航空航天、船舶、交通運輸和高端裝備的高性能制造需要,現代鋁合金材料的發展走向是朝著高綜合性能、低密度、大規格、高均勻性和材料/ 結構一體化方向發展,因為大規格高綜合性能鋁合金材料是現代航空、航天、航海、交通運輸輕量化發展的基礎材料,也是鋁合金材料科學與工程研究的熱點。發展大規格高綜合性能鋁合金,一方面需加強大規格高性能材料及其生產工藝技術和機理研究,確保產品品質的一致性、穩定性能滿足國家裝備的要求;另一方面要重視新一代鋁合金的前沿性、基礎性的研究工作,在對國際上鋁合金材料的發展和知識產權情況深入分析的前提下,明確目標,集中力量搶占未來發展的若干基礎和應用研究的制高點,確保不久的將來,我國不僅是鋁合金的生產大國,更是高端鋁合金材料研發與生產的強國。

        鋁合金環境適應性試驗與評價技術發展主要是為了支撐大規格高綜合性能鋁合金發展及其裝備安全服役,但其也依賴于國內外材料環境適應性試驗與評價技術最新發展水平。發展具有我國特色的鋁合金環境適應性試驗和評價技術就是要根據在研、在役裝備環境適應性工程以及試驗評價技術瓶頸,研究設計能夠適用新型鋁合金及構件環境適應性評價方法以及加速試驗方法,進一步突破自然- 工況耦合試驗技術、大型結構環境模擬技術、綜合性多因素實驗室環境模擬試驗技術以及加速試驗技術等環境適應性試驗技術;環境適應性評價技術要逐漸應用一些新原理、新技術(如環境損傷圖像信息的數字化評價技術),進一步加強評價結果的精準性,盡可能減少環境對鋁合金的傷害,增強裝備對于環境的適應力以及耐受能力,保障裝備的安全。

        后記
        君子之學必日新,日新者日進也;不日新者必日退,未有不進而不退者。隨著工程裝備輕量化進程的不斷推進,鋁合金加工技術及環境適應性試驗與評價技術將面臨新的挑戰,唯有不斷追求創新,才能跟上裝備發展步伐,為裝備的安全服役保駕護航。路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索。

        人物簡介
        yuekan_8_64_0.jpg查小琴,中國船舶重工集團公司第七二五研究所(洛陽船舶材料研究所)高級工程師,疲勞腐蝕斷裂試驗室主任。主要從事材料腐蝕、疲勞及斷裂性能測試評價技術開發及綜合性能評定工作,近幾年主持完成的鋁合金綜合性能測試評價項目近30 余項,現主要承擔的項目包括國家重點研發計劃項目1 項、國家自然基金項目1 項、國家標準及行業標準制定項目各1 項。近年來獲得中船重工集團公司科學技術進步三等獎1 項、所科研突出貢獻二等獎1 項,所科技創新成果獎4 項,申請國家專利14 項,在國內學術期刊及會議上發表論文30 余篇,參編國防科技理化檢測人員資格鑒定與認證培訓教材,被授予河南省“五一巾幗標兵”、洛陽市“五一勞動獎章”及“女職工建功立業明星”等榮譽稱號。目前擔任洛陽市腐蝕與防護學會秘書長,中國腐蝕與防護學會理事,中國有色金屬產業技術創新戰略聯盟專家委員會委員等社會職務。

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