Investigation of corrosion–induced degradation of aeronautical aluminum–copper and aluminum–copper–lithium alloys

Abstract

Η διάβρωση είναι μία από τις σημαντικότερες βλάβες που συναντώνται στις δομές των αεροσκαφών, μειώνοντας σημαντικά την δομική τους ακεραιότητα. Η συσσωρευμένη διάβρωση στα γηράσκοντα αεροσκάφη μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη αστοχία των δομικών μερών τους λόγω της συνέργειάς της με άλλες μορφές βλαβών, όπως είναι οι ρηγματώσεις λόγω κόπωσης. Οι αυξανόμενες απαιτήσεις των αεροναυπηγικών βιομηχανιών για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και αύξηση του ωφέλιμου φορτίου οδήγησε τους μηχανικούς υλικών στην ανάπτυξη υλικών χαμηλού βάρους με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Έτσι, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη των κραμάτων Al-Cu-Li τρίτης γενιάς. Μερικά από τα πλεονεκτήματά τους που τα καθιστούν προτιμότερα από τα συμβατικά κράματα αλουμινίου Al-Cu είναι η χαμηλή πυκνότητα, η βελτιωμένη ειδική αντοχή, η υψηλή αναλογία ακαμψίας προς βάρος και η καλή αντοχή στη διάβρωση. Ωστόσο, είναι πολύ σημαντικό όλα τα δομικά στοιχεία του αεροσκάφους να αντέχουν σε διαβρωτικά περιβάλλοντα, ενώ συνεχίζουν να αποδίδουν στα βέλτιστα επίπεδα μετά από μακροχρόνια λειτουργία (προσομοίωση φυσικής γήρανσης). Οι θερμομηχανικοί μετασχηματισμοί που προκαλούνται από τη γήρανση των αεροσκαφών επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά τους σε διάβρωση, με την υποβάθμιση λόγω διάβρωσης να είναι μη αναστρέψιμη σε αντίθεση με την υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων που μπορεί να είναι αναστρέψιμη με ειδικές επεξεργασίες. Επομένως, είναι σημαντικό να εντοπιστούν οι μηχανισμοί υποβάθμισης λόγω διάβρωσης στα αεροσκάφη, ώστε να αναπτυχθούν μέθοδοι αντιδιαβρωτικής προστασίας και να ενισχυθεί η δομική ακεραιότητα των αεροσκαφών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στον εντοπισμό των μηχανισμών υποβάθμισης λόγω διάβρωσης των κραμάτων Al-Cu 2024 και Al-Cu-Li 2198 και στην συσχέτιση τους με την επαγόμενη από τη διάβρωση υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων. Μεγαλύτερη έμφαση δίνεται στην ολκιμότητα, η οποία προσδιορίζεται από την παραμόρφωση θραύσης Af. Σύγκριση των κραμάτων Al-Cu με τα καινοτόμα κράματα Al-Cu-Li πραγματοποιείται σε όλη τη Διατριβή, προκειμένου να αναδειχθεί η υπεροχή των κραμάτων Al-Cu-Li και να δικαιολογηθεί η αντικατάσταση των συμβατικών κραμάτων Al-Cu από αυτά στις δομές των αεροσκαφών. Για την εξαγωγή αυτών των πληροφοριών πραγματοποιήθηκε έκθεση δειγμάτων σε διαφορετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα και διερευνήθηκαν τόσο η κινητική της διάβρωσης όσο και οι εναπομένουσες μηχανικές ιδιότητες μέσω δοκιμών εμβάπτισης, ηλεκτροχημικών δοκιμών (φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης-EIS, ποτενσιοδυναμική πόλωση), μικροσκοπικών αναλύσεων, μεταλλογραφιών (π.χ οπτική μικροσκοπία, στερεοσκοπική ανάλυση, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-SEM, ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης-TEM, μικροσκοπική τομογραφία ακτίνων Χ-XCT) καθώς και μηχανικών δοκιμών (εφελκυσμός, κόπωση, δυσθραυστότητα). Διαφορετικοί μηχανισμοί ευθραυστότητας/ψαθυροποίησης παρατηρήθηκαν στα διαφορετικά διαβρωτικά διαλύματα τόσο για τα κράματα Al-Cu όσο και για τα κράματα Al-Cu-Li. Η ψαθυροποίηση των ορίων των κόκκων ήταν εμφανής σε δείγματα που εκτέθηκαν σε διάλυμα EXCO, το οποίο οδηγεί σε σχηματισμό δευτερογενών ρωγμών, ενώ περικρυσταλλική και ενδοκρυσταλλική διάβρωση παρατηρήθηκε στο διάλυμα 3,5 wt. % NaCl. Η διάβρωση υποβαθμίζει το κράμα 2024-T3 σε υψηλότερο επίπεδο και ρυθμό σε σύγκριση με το 2198-T8, όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες εφελκυσμού, σε μεγάλους χρόνους έκθεσης όπου λαμβάνει χώρα ο μηχανισμός διάβρωσης με οπές. Όσον αφορά την παραμόρφωση θραύσης, το 2024-T3 βρέθηκε να υποβαθμίζεται με πολύ υψηλότερο ρυθμό ακόμη και σε μικρούς χρόνους έκθεσης όπου η ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης υδρογόνου είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός υποβάθμισης. Στο κράμα 2024-Τ3 παρατηρήθηκε συνέργεια των μικρο-ρωγμών λόγω διάβρωσης και της ψαθυροποίησης λόγω διάχυσης υδρογόνου. Η ψαθυροποίηση λόγω διάχυσης υδρογόνου σε δείγματα 2024-T3 που διαβρώθηκαν και στις δύο επιφάνειες οδηγεί σε περίπου 27% μείωση της ολκιμότητας (Af). Διαφορετικοί μηχανισμοί υποβάθμισης παρατηρήθηκαν στους διαφορετικούς χρόνους διάβρωσης και τις διαφορετικές επιφάνειες των κραμάτων. Το βάθος των μικρο-ρωγμών αυξάνεται με την αύξηση του χρόνου διάβρωσης και για τα διαβρωμένα δοκίμια μονής όψης (διάβρωση σε μία πλευρά/επιφάνεια) είναι ουσιαστικά υψηλότερο από τα διαβρωμένα δείγματα αμφίπλευρης όψης. Διάβρωση με οπές παρατηρήθηκε και στις δύο επιφάνειες του κράματος 2198-T351 στους μικρούς χρόνους έκθεσης, ενώ δύο περιπτώσεις βλάβης παρατηρήθηκαν στους μεγάλους χρόνους (≥ 24 ώρες): α) ο σχηματισμός επιφανειακών ρωγμών λόγω διάβρωσης στις μικρές πλευρικές επιφάνειες μαζί με διάβρωση αποφλοίωσης στις μεγάλες επιφάνειες λόγω αποκόλλησης των ορίων των κόκκων και β) συσσωρευμένα προϊόντα διάβρωσης στις μεγάλες επιφάνειες. Όσον αφορά το κράμα 2024-T3, διάβρωση με οπές εντός των ορίων των κόκκων εντοπίστηκε στους μικρούς χρόνους έκθεσης, ενώ η σύνδεση των μικρο-ρωγμών λόγω διάβρωσης ήταν ο κυρίαρχος μηχανισμός υποβάθμισης στους μεγάλους χρόνους έκθεσης. Το κράμα 2024 βρέθηκε να είναι πιο ευαίσθητο στη διάβρωση των πλευρικών επιφανειών, όπου παρατηρήθηκε συμβολή περίπου 60% στη συνολική μείωση της Af για μικρούς χρόνους έκθεσης, ενώ η συσσωρευμένη διάβρωση στις μεγάλες επιφάνειες (L/LT) είναι πιο κρίσιμη στη μείωση της ολκιμότητας για το κράμα Al-Cu-Li 2198. Το 2024 επηρεάζεται σημαντικά από τους μετασχηματισμούς της μικροδομής λόγω τεχνητής γήρανσης, καθώς τόσο η ηλεκτροχημική του συμπεριφορά όσο και οι εναπομένουσες μηχανικές ιδιότητες σε διαφορετικές καταστάσεις γήρανσης παρουσίασαν υψηλές διαφορές, με τα δείγματα στην κατάσταση μέγιστης γήρανσης (PA) να είναι λιγότερο ευαίσθητα στην εξέλιξη της διάβρωσης. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για το 2198. Το κράμα 2198 φαίνεται να είναι πιο ανθεκτικό στη διάβρωση.