查小琴：发展铝合金环境适应性试验及评价技术助力装备安全服役

2019-09-26 11:41:03 作者：韩鑫来源：《腐蚀与防护之友》分享至：

作为结构材料，铝合金因密度低、比强度高、加工性能优良，被广泛应用在航海、航空、航天及轨道交通装备上，如船舶、飞机、运载火箭、高速列车和水下兵器等，目前采用铝合金替代钢来制造汽车车身的研制工作也在如火如荼地进行。铝合金环境适应性试验及评价技术就是为了研究、分析、判断铝合金在服役过程中是否满足环境适应性定量和定性的指标所开展的试验及评价工作，其对于预防铝合金提前失效而保证装备安全服役具有非常重要的意义。

为了全面了解铝合金及其服役失效特点，以及铝合金环境适应性试验及评价等方面的相关知识，记者特邀请到中国船舶重工集团公司第七二五研究所试验测试与计量技术研究中心疲劳腐蚀断裂试验室主任查小琴高工做相关方面的精彩解读。

中国船舶重工集团公司第七二五研究所试验测试与计量技术研究中心（以下简称“中船重工七二五所测试技术研究中心”）是中国船级社认可的唯一一家“船舶材料验证试验中心”，中国国家认证认可监督管理委员会（CMA）和中国合格评定认可委员会（CNAS）联合认定的“中国船舶工业船舶材料技术检测中心”，国防科工局认定的国防计量校准机构，并获得美国国家航空航天及国防合同PRI（NADCAP）认证，为国家装备安全服役提供了大量数据和技术支撑。复杂、恶劣海洋环境下的材料环境适应性试验和评价技术开发已形成了特色的专业方向，在铝合金环境适应性试验及评价技术方面，已建立了适用于不同领域的多套试验和评价技术方案，主要涵盖船舶、航空、轨道交通和汽车等行业。

记者：请您谈谈铝合金的发展历程、目前在各领域的应用情况及应用中存在问题？

查小琴高工：铝合金的发展主要以航空航天需求为背景，按照铝合金的成分- 工艺- 组织- 性能特征，发展历程大体划分为5 个阶段，即第一代高静强度铝合金，第二代高强耐蚀合金，第三代高强、高韧、耐蚀铝合金，第四代高强高韧耐蚀、高耐损伤铝合金，以及新一代高强、高韧、低淬火敏感性铝合金。从时间上讲，第一代铝合金从1935 年开始，主要是随着铝合金沉淀硬化效应的发现和峰值时效技术的发展产生的，典型的代表为2024-T3、7075-T6 和7178-T6 铝合金；第二代铝合金从20 世纪50 年代到60 年代，主要是基于过时效原理，使晶界相不连续析出的T73，T76 时效热处理技术更好的协调了铝合金的高强度与耐蚀性能，7075-T73/T76 等为第二代高强耐腐蚀铝合金的典型代表。再到20 世纪60 年代，合金纯净化和微合金化理论和技术推动了第三代高强高韧高耐蚀铝合金的发展，通过大幅度降低Fe、Si 等杂质含量，使粗大初生相和过剩相数量减少，尺寸细化，使合金具有高强度的同时，也具有优异的断裂韧性，典型代表有7454-T74、7050-T74、2519-T87 铝合金；特别要说明的，此阶段，高比强度和高比模量材料的需求也推动了Al-Li 合金的研制和应用，典型的代表有1420、2090/2091、8090；第四代高强、高韧、耐蚀、高耐损伤铝合金材料的研发主要在上世纪80 年代末至90 年代末，主要是利用三级时效精密热处理技术，实现了不牺牲合金强度的同时，满足断裂韧性、抗腐蚀性能和抗疲劳性能要求的目标，超强高韧耐蚀的7055-T77 是典型代表；新一代高强高韧低淬火敏感性铝合金的产生和发展是在对铝合金构件整体化、大型化（可避免大量传统铆接，提高可靠性）强烈需求牵引下产生的，通过成分调控、发展先进的喷淋淬火等可控快冷技术发展了以7040、7085、7140 和7081 为代表的高强高韧低淬火敏感性新一代铝合金。综上所述，我们可以看出，铝合金的发展历程也就是其综合性能（特别是环境适应性）逐渐提高的历程，从最初仅对静强度有要求，发展到对腐蚀性能、疲劳性能、断裂韧度及加工等综合性能均有较高要求，更好地适用于复杂、恶劣环境下服役。

根据服役环境的差异，各领域用铝合金类别也不完全相同，航空领域用铝合金主要涉及2xxx 系（Al-Cu）、7xxx系（Al-Zn-Mg-Cu），其他系列的铝合金，如6xxx 系（Al-Mg-Si）、Al-Li 合金等也有一定应用，但总体用量较少；在航天领域，除上述系列外，还包括3xxx 系（Al-Mn）、5xxx 系（Al-Mg）；在船舶上大量应用的为5xxx 系铝合金，中强7xxx 系铝合金也有一定应用；轨道交通领域，车体结构材料多数用7xxx 系和6xxx 铝合金，地板则常用5 xxx 铝合金。

需要指出的是，轨道交通领域用为低Cu的7xxx 系（含铜量0.2% 左右）铝合金，其主要为提高焊接性能，航空则更多用高Cu（含铜量2% 左右）的7xxx 铝合金。

铝合金在各个领域应用，存在通用问题，也有个性问题，通用问题主要是指复杂服役环境下的环境适应性问题，应该说，各领域用铝合金的损伤、失效均与其环境适应问题息息相关，且随着应用领域越来越广泛，服役环境越来越复杂，表现的越来越明显；个性问题主要是指由于服役环境及选用材料的差异，而表现出的具有领域特色的环境适应性问题，如航空航天领域用铝合金的环境诱导开裂（EAC）问题；高铁用铝合金的应力腐蚀开裂（SCC）问题；船舶用5000 系铝合金的局部腐蚀问题（包括点腐蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀以及应力腐蚀）等。目前，为解决各领域用铝合金的环境适应性问题，除从材料设计、选材、防护上下功夫外，发展适应各个领域的环境适应性试验和评价技术也非常重要，其不但可对装备安全服役提供技术支撑，也可促进材料设计、工艺及防护工艺的提升。

记者：请您介绍下铝合金环境适应性试验及评价技术，中船重工七二五所在铝合金环境适应性试验及评价上具备什么能力？

查小琴高工：铝合金环境适应性试验和评价技术就好比飞行员体检和考核方法。试验技术是为了研究、分析和评价铝合金的环境适应性而采用的试验手段；评价技术是为了判断材料在服役过程中是否满足材料环境适应性定量和定性的指标开展工作所采用的手段。铝合金环境适应性评价的可信水平，不完全取决于试验技术，也取决于试验和评价人员的工作经验、知识水平以及获取和分析各种信息的能力。

铝合金环境适应性试验技术按试验的环境条件分，可以分为实验室环境试验，自然环境试验和使用环境试验，其中实验室环境试验又可以分为单因素环境试验和综合环境试验。按材料环境损伤的机理分，可以分为疲劳试验、磨损试验、腐蚀试验以及断裂试验，这种基于机理的试验直接根据材料的环境损伤机理进行，目前各实验室环境试验基本按此进行分类。铝合金环境适应性试验还可按试验性质分为模拟试验和加速试验，按试验手段分为实物试验和虚拟仿真试验等。中船重工七二五所测试技术研究中心目前的铝合金环境适应性试验技术涵盖了以上分类，自然环境或海洋装备使用环境模拟试验在青岛、三亚和厦门海洋试验站进行，可开展铝合金加载或非加载试样及构件海水全浸、周浸、冲刷、暴晒、喷淋等试验；实验室环境单因素试验包括铝合金晶间腐蚀、剥落腐蚀、点腐蚀、电化学腐蚀、疲劳、断裂韧性等实验室加速试验方法；实验室环境综合因素试验更具有专业特色，如力与环境耦合的腐蚀疲劳、应力腐蚀还有拉扭腐蚀疲劳试验等，近阶段又开发出适合整体壁板或结构用多通道加载腐蚀疲劳试验系统及大型多环境耦合试验箱，如图1 为多通道加载腐蚀疲劳试验系统照片，该设备可实现构件在盐雾环境下、全浸环境下的静态和动态三维加载试验，环境试验箱的尺寸为2m×2m×2m，试验平台的尺寸为8m×8m×8m。

铝合金的环境适应性评价方法可分为直接评价法、相似产品法、加速试验法、试验评价法、仿真法、长期监测法等，其中直接评价法是根据环境适应基础数据来开展评价工作，是一种最基本的评价方法，在基础数据和实际情况有差别时，往往用“极值”理论加以分析，即用恶劣环境下的数据评价在温和条件下环境适应性是否可接受，故结果是保守的；相似产品法是根据相似装备的相似环境、相似结构所得到的数据来估计环境适应性，故结果有时候会与实际情况有偏差；加速试验法是利用加速试验的方法快速评定环境适应性能，其结果的准确性往往取决于方法的模拟性、加速性和重现性；试验评价法是将材料置于典型的自然环境、使用环境或者实验室环境中，评价其环境适应性。目前加速试验法和试验评价法在铝合金环境适应性评价上应用最多；仿真分析法由于准确率不好把控，长期监测法由于时间较长，目前在实验室还处于技术完善阶段，在工程上应用还不是特别多。中船七二五所测试技术研究中心在铝合金环境适应性评价技术上，更多的是采用直接评价法、加速试验法以及试验评价法，必要情况下，也将这几种试验方法综合应用并结合相关信息来得到较为可信的结果，这些试验和评价方法在各个领域承担的项目中得到较好的应用。

图1 多通道加载腐蚀疲劳试验系统

记者：中船重工七二五所测试技术研究中心先后承担了涉及多个领域的铝合金环境适应性试验及评价项目，能否跟我们详细分享一下项目的具体情况及所取得的成果，并谈谈这些科研成果或技术带来的社会效益和经济效益。

查小琴高工：中船重工七二五研究所从上世纪60 年代初开始，就紧跟我国舰船装备发展需求，承担了多项船用系列5000 系铝合金和7000 系铝合金性能评价项目，通过这些项目建立了适用于船用铝合金的环境适应性试验和评价技术且编制了十余份国标、军标及行业规范；“十三五”期间又承担了船用新型铝合金应用研究项目，对于船用铝合金整体壁板的环境试验及评价也建立了一套完整的试验方案；2013 年，中船重工七二五所测试技术研究中心开始研究轨道交通和航空用铝合金的环境适应性试验和评价技术且开展了该领域用系列铝合金的性能试验和评价工作，六年来，所承担的横向项目超过30 余项，涉及到的材料批次超过40 个，不仅包括进口5000 系、6000 系、7000 系铝合金，还包括国内诸多厂家不同阶段生产的5000 系、6000 系、7000 系铝合金，分析了这几个系列铝合金的服役损伤特点，且在此基础上建立了适用高速列车用7000 系铝合金的慢应变速率应力腐蚀试验方法、强氧化剂腐蚀环境中的四点弯曲应力腐蚀试验方法和适用航空用7000 系铝合金的EAC 和KIEAC 试验方法，6000 系铝合金的晶间腐蚀试验方法和 5000 系铝合金的晶间腐蚀性能评价

方法，为我国的高速列车及航空的快速发展提供了有利的技术保障，为高速列车及航空装备的安全服役提供了数据支撑；日前，中心也开始着手汽车用7xxx铝合金搅拌摩擦焊对接接头的应力腐蚀性能试验和评价技术及腐蚀疲劳试验技术研究，将推进铝合金在汽车上应用研究进程。通过这些项目的研究，中心所获的科研经费超过3000 万元，经济效益非常可观。图2 为中心具备的铝合金性能测试及评价能力，具体采用方案根据行业特点及评价目的进行。

图2中心具备的铝合金性能测试及评价能力

记者：您们团队从事多年，铝合金环境适应性试验和评价技术开发及应用，请您介绍一下对您印象深刻的科研经历及典型案例并发表一下您的看法和见解？

查小琴高工：多年来，我们团队一直致力于铝合金环境适应性试验和评价技术开发及应用，为各领域装备的安全服役提供了技术保障及数据支撑。成绩的取得得益于我们团队的大胆创新、攻坚克难和永不言败的精神。下面结合近阶段两项试验和评价技术建立来谈谈看法和见解。

航空用7000 系铝合金的EAC 和KIEAC 试验方法，可以更好地模拟服役环境，比传统的应力腐蚀测试方法更具有应用优势。但该技术建立之初，由于国内外资料可借鉴内容不多，所遇到的试样加载松弛监测及在环境中裂纹缺口张开位移测量等难题困扰团队较长时间，采用传统方法的解决方案多次探究均以失败告终，团队成员大胆创新，通过引入应变测量DIC 技术和裂纹长度测量DCPD 技术取得较好效果，并通过反复修改和试验验证，最终成功建立EAC和KIEAC 测试方法且应用。

为了适应铝合金构件整体化和大型化的发展趋势，建立一套测试和评价铝合金整体壁板及大型构件疲劳腐蚀性能的环境适应性试验系统是“十三”五期间的关键任务，团队通过查找资料虽确定了以多通道协调加载设备与腐蚀环境相结合方式来实现，但非标盐雾箱设计、盐雾箱与多方向作动器接口处理等不太好实施。调研、沟通、确定设计思路、放弃方案、再沟通、再确定设计思路… 如此反复，应该说最终方案确定之前，更改的方案多达10 余次。否定并不是做不到，而是追求精益求精，在保证设备功能不打折扣同时保证设备易操作、外形美观，最终借助CAE 软件绘制三维效果图确定采用拼接式箱体、柔性接口等设计方案解决关键难点问题，整个设计具有极强的创新性及前瞻性，保证了铝合金大型结构用疲劳腐蚀双因素耦合试验系统的可实施性及最终建成，为国家“十三”五重点项目的实施提供了技术支撑。

总之，在铝合金环境适应性试验和评价技术开发的过程中，像以上的案例还有很多。测试方法和评价技术的建立，固然需要技术上的突破和创新，但对于我们团队来说，更得益于我们一直以来秉承的“滴水能把石穿透，万事功到自然成”的工作理念和精神。

记者：请您谈谈与国外相比，我国铝合金及其环境适应性试验和评价技术发展的走向？

查小琴高工：我国铝合金的发展主要受国内各领域装备发展的牵引作用和国外相关技术发展所推动，一代材料一代装备，为支撑航空航天、船舶、交通运输和高端装备的高性能制造需要，现代铝合金材料的发展走向是朝着高综合性能、低密度、大规格、高均匀性和材料/ 结构一体化方向发展，因为大规格高综合性能铝合金材料是现代航空、航天、航海、交通运输轻量化发展的基础材料，也是铝合金材料科学与工程研究的热点。发展大规格高综合性能铝合金，一方面需加强大规格高性能材料及其生产工艺技术和机理研究，确保产品品质的一致性、稳定性能满足国家装备的要求；另一方面要重视新一代铝合金的前沿性、基础性的研究工作，在对国际上铝合金材料的发展和知识产权情况深入分析的前提下，明确目标，集中力量抢占未来发展的若干基础和应用研究的制高点，确保不久的将来，我国不仅是铝合金的生产大国，更是高端铝合金材料研发与生产的强国。

铝合金环境适应性试验与评价技术发展主要是为了支撑大规格高综合性能铝合金发展及其装备安全服役，但其也依赖于国内外材料环境适应性试验与评价技术最新发展水平。发展具有我国特色的铝合金环境适应性试验和评价技术就是要根据在研、在役装备环境适应性工程以及试验评价技术瓶颈，研究设计能够适用新型铝合金及构件环境适应性评价方法以及加速试验方法，进一步突破自然- 工况耦合试验技术、大型结构环境模拟技术、综合性多因素实验室环境模拟试验技术以及加速试验技术等环境适应性试验技术；环境适应性评价技术要逐渐应用一些新原理、新技术（如环境损伤图像信息的数字化评价技术），进一步加强评价结果的精准性，尽可能减少环境对铝合金的伤害，增强装备对于环境的适应力以及耐受能力，保障装备的安全。

后记

君子之学必日新，日新者日进也；不日新者必日退，未有不进而不退者。随着工程装备轻量化进程的不断推进，铝合金加工技术及环境适应性试验与评价技术将面临新的挑战，唯有不断追求创新，才能跟上装备发展步伐，为装备的安全服役保驾护航。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

人物简介

查小琴，中国船舶重工集团公司第七二五研究所（洛阳船舶材料研究所）高级工程师，疲劳腐蚀断裂试验室主任。主要从事材料腐蚀、疲劳及断裂性能测试评价技术开发及综合性能评定工作，近几年主持完成的铝合金综合性能测试评价项目近30 余项，现主要承担的项目包括国家重点研发计划项目1 项、国家自然基金项目1 项、国家标准及行业标准制定项目各1 项。近年来获得中船重工集团公司科学技术进步三等奖1 项、所科研突出贡献二等奖1 项，所科技创新成果奖4 项，申请国家专利14 项，在国内学术期刊及会议上发表论文30 余篇，参编国防科技理化检测人员资格鉴定与认证培训教材，被授予河南省“五一巾帼标兵”、洛阳市“五一劳动奖章”及“女职工建功立业明星”等荣誉称号。目前担任洛阳市腐蚀与防护学会秘书长，中国腐蚀与防护学会理事，中国有色金属产业技术创新战略联盟专家委员会委员等社会职务。

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