在航空航天領(lǐng)域，材料的性能與可靠性直接關(guān)系到飛行安全與裝備壽命。近期，一篇題為《Corrosion fatigue mechanisms and control technologies in aviation aluminum alloys: A critical review》的學術(shù)論文，深入探討了航空鋁合金的腐蝕疲勞（CF）機制及其控制技術(shù)，為相關(guān)研究與應用提供了極具價值的參考。

研究背景

航空鋁合金因其高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的成形性，被廣泛應用于航空航天工業(yè)，如Al-Cu、Al-Zn-Mg-(Cu)和Al-Li系列合金。然而，這些合金在服役過程中易受循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境的雙重影響，導致腐蝕疲勞問題頻發(fā)，嚴重威脅飛行安全。因此，深入研究航空鋁合金的腐蝕疲勞機制及控制技術(shù)，對于提升航空裝備的可靠性和使用壽命具有重大意義。

航空鋁合金的發(fā)展歷程

論文首先回顧了航空鋁合金的發(fā)展歷程。自20世紀初“時效硬化”技術(shù)被發(fā)現(xiàn)以來，航空鋁合金經(jīng)歷了從Al-Cu系列到Al-Zn-Mg-(Cu)系列，再到Al-Li系列的演變。通過不斷優(yōu)化合金成分和熱處理工藝，鋁合金的強度、韌性和耐腐蝕性得到了顯著提升。例如，2024鋁合金因其高強度被廣泛應用于機身、機翼等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件；而7075鋁合金則以其優(yōu)異的強度和耐腐蝕性成為航空航天領(lǐng)域的常用材料。

圖1 航空鋁合金的發(fā)展歷程

腐蝕疲勞機制

腐蝕疲勞機制是本文的核心內(nèi)容之一。研究指出，腐蝕疲勞過程分為裂紋萌生和裂紋擴展兩個階段。在裂紋萌生階段，局部腐蝕理論、變形激活腐蝕理論、陽極滑移溶解理論和吸附理論是主要的裂紋萌生機理。例如，局部腐蝕理論認為，合金表面的腐蝕坑會成為裂紋的萌生源；而陽極滑移溶解理論則強調(diào)循環(huán)載荷引起的滑移臺階會導致表面鈍化膜破裂，進而引發(fā)裂紋。在裂紋擴展階段，應變誘導陽極溶解理論、氫脆理論和表面能降低理論是主要的擴展機制。這些理論揭示了腐蝕環(huán)境與循環(huán)載荷共同作用下，裂紋如何在鋁合金中形成并擴展。

圖2 腐蝕疲勞機制示意圖

影響腐蝕疲勞行為的因素

論文詳細分析了影響航空鋁合金腐蝕疲勞行為的多種因素，包括外部環(huán)境因素（如溫度、介質(zhì)類型）和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)因素（如晶粒尺寸、織構(gòu)、析出相和殘余應力）。例如，在不同溫度下，鋁合金的腐蝕疲勞性能表現(xiàn)出顯著差異。低溫環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)活性降低，合金的疲勞性能得到改善；而高溫則加速了腐蝕過程，導致裂紋擴展速率增加。此外，合金的微觀結(jié)構(gòu)對其腐蝕疲勞性能也有重要影響。細晶粒尺寸和優(yōu)化的織構(gòu)可以提高合金的耐腐蝕性和疲勞強度，而析出相的分布和尺寸則直接影響裂紋的萌生和擴展路徑。

圖3 溫度對鋁合金腐蝕疲勞行為的影響

腐蝕疲勞表征與壽命預測模型

為了準確評估航空鋁合金的腐蝕疲勞性能，論文介紹了三種主要的腐蝕疲勞表征方法：同步腐蝕疲勞試驗、預腐蝕疲勞試驗和交替腐蝕疲勞試驗。這些方法通過模擬實際服役條件下的腐蝕和疲勞交互作用，為研究鋁合金的腐蝕疲勞行為提供了有力工具。同時，論文還探討了腐蝕疲勞壽命預測模型，包括基于損傷力學理論的模型和基于Miner理論的模型。這些模型能夠根據(jù)合金的微觀結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境，預測其腐蝕疲勞壽命，為航空裝備的設(shè)計和維護提供了理論依據(jù)。

先進成形技術(shù)

論文還介紹了基于微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的先進成形技術(shù)，如等通道角擠壓（ECAP）和高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）。這些技術(shù)通過改變合金的微觀結(jié)構(gòu)，如細化晶粒、優(yōu)化織構(gòu)和控制析出相分布，從而顯著提高其腐蝕疲勞性能。例如，HPT技術(shù)可以在鋁合金中形成超細晶粒結(jié)構(gòu)，使其疲勞極限提高一倍以上。這些先進成形技術(shù)為改善航空鋁合金的腐蝕疲勞性能提供了新的思路和方法。

圖4 HPT、ECAP和CR工藝對鋁合金性能的影響機理研究

研究結(jié)論與展望

綜上所述，航空鋁合金的腐蝕疲勞問題是一個復雜的多因素交互作用過程。通過深入研究其腐蝕疲勞機制、影響因素、表征方法和壽命預測模型，以及開發(fā)先進的成形技術(shù)，可以有效提高航空鋁合金的腐蝕疲勞性能，延長其使用壽命。然而，目前的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如實際服役環(huán)境中多因素耦合對腐蝕疲勞行為的影響、微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的定量關(guān)系等。未來的研究需要進一步深化對腐蝕疲勞機制的理解，開發(fā)更加準確的壽命預測模型，并探索更多有效的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茕X合金的不斷增長的需求。

論文標題：Corrosion fatigue mechanisms and control technologies in aviation aluminum alloys: A critical review

論文作者：陳宇強，賀梓泯，李恒，陸丁丁，宋宇峰，湛利華，潘素平，劉文輝

作者單位：湖南科技大學

出版信息：中國航空學報，doi：https://doi.org/10.1016/j.cja.2025.103496

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝論文作者團隊支持。