水下训练用舱外航天服（以下简称水下训练服）是航天员在地面水下实验室模拟失重状态进行出舱活动任务训练的专用航天服[1]。为保证训练效果,水下训练服是在“飞天”舱外航天服基础上进行设计的,硬结构为某牌号铝合金薄壁壳体,状态基本保持一致。铝合金薄壁结构在服役过程中,在持续内压力作用下,腐蚀风险显著增加[2-3],出现了微泄漏问题。水下训练服训练保障任务多,但研制成本极高,安全性、可靠性指标要求严,针对性的对其进行故障模式与失效机理研究,探明失效机理,提出有效的防护措施,对延长水下训练服使用寿命,降低训练成本,提高训练安全性、可靠性和稳定性都十分必要。 

笔者结合水下训练服硬结构实际使用过程中出现的微泄漏问题,采用铝合金试样,在实验室条件下模拟水下训练服实际使用时遇到的干湿交替、恒应力等工况,通过表面腐蚀形貌观察、拉伸性能测试、断口分析等方法,探明了薄壁结构的故障模式与失效机理,以期为后续水下训练服硬结构的腐蚀防护优化设计提出依据。 

1.   试验

1.1   试验材料

采用与水下训练服硬结构生产为同批次的某牌号Al-Mg合金板材作为试样材料,试样尺寸为1.5 mm×20 mm×150 mm。 

1.2   试验方法

在干湿交替实验箱中进行应力腐蚀试验。根据地面训练水下实验室水质条件模拟水下训练服使用的实际工况（以下简称模拟水下训练服工况）,湿态环境介质为含0.3 mg/L氯离子,pH为8的水溶液。加载条件：采用两点弯曲法,根据GB/T 15970.2-2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验　第2部分：弯梁试样的制备和应用》,恒定施加100 MPa的应力载荷（参考水下训练服硬结构的实际平均受力）。试验过程：将铝合金试样在湿态环境中全浸润10 min然后置于干态空气中50 min,作为一个周期,交替循环,箱体温度保持30 ℃,相对湿度为80%~90%,试验时间分别为7,21,35,42 d。 

采用Nova NanoSEM450型场发射扫描电子显微镜观察腐蚀试验后试样的表面形貌。根据HB 5143-1996《金属室温拉伸试验方法》,采用MTS Landmark 100型材料拉伸试验机对腐蚀不同时间的铝合金试样进行拉伸-断裂力学性能测试,拉伸速率为5 mm/min,试验后分析试样的抗拉强度,并采用扫描电镜观察试样断口形貌。 

2.   结果与讨论

2.1   表面腐蚀形貌

如图1所示：试验7 d后,铝合金试样表面逐渐出现深度较浅的点蚀形貌；试验21 d后,表面点蚀密度与深度逐渐增加,在点蚀坑周围出现腐蚀产物堆积,点蚀坑已有一定的深度；试验35 d后,随着腐蚀坑深度的扩展,在应力加载的作用下,试样表面沿着晶粒延长方向形成裂纹,腐蚀坑和裂纹周围都生成了乳白色的腐蚀产物；试验42 d后,试样表面腐蚀程度进一步加重,点蚀坑周围微裂纹数量增加,且在进一步扩展,点蚀坑间出现贯穿裂纹并逐渐相交,形成网状结构的应力腐蚀形貌。结果表明,该试样的表面腐蚀形貌与铝合金在含Cl-环境中的腐蚀形貌相符。 

图  1  铝合金试样在模拟水下训练服工况下经不同时间应力腐蚀试验后的表面腐蚀微观形貌

Figure  1.  The surface corrosion morphology of aluminum alloy specimens after different periods of time stress corrosion tests under simulated underwater training conditions

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电解质溶液中存在能破坏钝化膜活性的Cl-,点蚀是由活化阴离子吸附在表面钝化膜中的某些缺陷处引起的。当达到点蚀电位时,表面膜薄弱区域的电场强度较高,使Cl-穿透薄膜形成氯化物。钝化膜局部区域被破坏,膜破损区域的金属基体成为阳极,其电流高度集中,未破损的膜成为阴极,形成腐蚀电池加速腐蚀,形成蚀孔[4]。当蚀孔内的氧耗尽,孔内只进行阳极反应,很快就积累了带正电的金属离子,并发生如式（1）所示的反应,形成的自催化作用加速了腐蚀进程。 

应力对点蚀的萌生和生长起到诱导和推动作用[5]。随着试验周期的延长,点蚀越来越密集,点蚀坑不断向纵深方向发展,腐蚀逐渐加重。在蚀坑内部应力集中的作用下,裂纹在点蚀坑处萌生,且裂纹数量逐渐增加[6]。随着试验的进行,裂纹进一步扩展,出现贯穿的趋势,最终导致材料断裂。 

2.2   拉伸性能

从图2可以看出,随着试验的进行,试样的抗拉强度在不断降低。由表1可知,经7,21,35,42 d应力腐蚀试验后,铝合金试样的抗拉强度相比材料进厂复验时的分别下降4.24%、6.77%、11.65%、13.55%,说明随着腐蚀时间的延长,材料的抗拉强度逐渐下降[7]。 

图  2  在模拟水下训练服工况下经不同时间应力腐蚀试验后铝合金试样的拉伸力-位移曲线

Figure  2.  The tensile force and displacement curves of aluminum alloy samples after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

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表  1  不同时间应力腐蚀试验后铝合金试样的抗拉强度及其损失率

Table  1.  Tensile strength and its loss rate of aluminum alloy samples after stress corrosion test at different periods of time

试验时间/d	抗拉强度/MPa	抗拉强度损失率/%
0	347.01	—
7	332.29	4.24
21	323.51	6.77
35	306.69	11.65
42	300.59	13.55

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2.3   断口形貌

由图3可见：未腐蚀的铝合金试样断口亚表面位置韧窝较多,且分散较为均匀,为典型的韧性断裂形貌,说明铝合金拉伸过程中受力状态较为均匀,且力学性能较好；经过7 d腐蚀试验后,试样断口上有明显的点蚀坑,点蚀坑周围和近表层区域呈块状断面,远离点蚀坑的区域有明显的颈缩现象,断口表面分布着较多的韧窝,断面上发生了明显的塑性流动；经过21 d腐蚀试验后,试样出现了明显“V”形块状断面,“V”形断面与点蚀坑的形状吻合,说明断口位置由于点蚀作用发生力学性能下降,在拉伸应力下萌生裂纹并迅速扩展,最终诱发断裂失效；经35 d和42 d腐蚀试验后,随着腐蚀时间的延长,点蚀坑尺寸逐渐增大,试样的块状断面面积逐渐增大,说明点蚀坑对断口的影响进一步加深。 

图  3  在模拟水下训练服工况下经不同时间应力腐蚀试验后铝合金试样的拉伸断口形貌

Figure  3.  Tensile fracture morphology of aluminum alloy specimen after stress corrosion test at different periods of time under the condition of simulated underwater training suit

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综上所示,随着腐蚀试验时间的延长,点蚀坑越来越深,对铝合金试样断口的影响逐渐加深,以点蚀坑为中心向周围辐射的断面面积逐渐增大,这与拉伸试验结果相吻合。可以推断,随着腐蚀试验时间的延长,材料抗拉强度不断下降,在点蚀坑处会萌生裂纹,在恒应力的作用下,裂纹扩展最终导致试样断裂。 

3.   结论

（1）水下训练服铝合金薄壁结构在使用过程中易发生点蚀,点蚀是造成基体材料抗拉强度下降的主要原因,在各种工况的应力（充压、装配等）作用下,点蚀坑处萌生微裂纹,从而在实际使用过程中出现的微泄漏问题。 

（2）针对上述问题,提出以下建议：对于裸露在水槽中的水下训练服薄壁结构,需要增加阳极化或缓蚀剂处理工艺进行防护；对于使用中出现磕碰破坏阳极化层的部位,及时采用硬膜缓释剂进行修复；增加水下训练服薄壁承压结构的厚度；在使用后增加纯净水冲洗操作,去除金属表面残留的Cl-,并快速干燥,严格控制存放环境的温度和湿度。