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航空铝合金腐蚀疲劳机制与控制技术：深度解析与前沿展望
在航空航天领域，材料的性能与可靠性直接关系到飞行安全与装备寿命。近期，一篇题为《Corrosion fatigue mechanisms and control technologies in aviation aluminum alloys: A critical review》的学术论文，深入探讨了航空铝合金的腐蚀疲劳（CF）机制及其控制技术，为相关研究与应用提供了极具价值的参考。
研究背景
航空铝合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的成形性，被广泛应用于航空航天工业，如Al-Cu、Al-Zn-Mg-(Cu)和Al-Li系列合金。然而，这些合金在服役过程中易受循环载荷和腐蚀环境的双重影响，导致腐蚀疲劳问题频发，严重威胁飞行安全。因此，深入研究航空铝合金的腐蚀疲劳机制及控制技术，对于提升航空装备的可靠性和使用寿命具有重大意义。
航空铝合金的发展历程
论文首先回顾了航空铝合金的发展历程。自20世纪初“时效硬化”技术被发现以来，航空铝合金经历了从Al-Cu系列到Al-Zn-Mg-(Cu)系列，再到Al-Li系列的演变。通过不断优化合金成分和热处理工艺，铝合金的强度、韧性和耐腐蚀性得到了显著提升。例如，2024铝合金因其高强度被广泛应用于机身、机翼等关键结构部件；而7075铝合金则以其优异的强度和耐腐蚀性成为航空航天领域的常用材料。
图1 航空铝合金的发展历程
腐蚀疲劳机制
腐蚀疲劳机制是本文的核心内容之一。研究指出，腐蚀疲劳过程分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段。在裂纹萌生阶段，局部腐蚀理论、变形激活腐蚀理论、阳极滑移溶解理论和吸附理论是主要的裂纹萌生机理。例如，局部腐蚀理论认为，合金表面的腐蚀坑会成为裂纹的萌生源；而阳极滑移溶解理论则强调循环载荷引起的滑移台阶会导致表面钝化膜破裂，进而引发裂纹。在裂纹扩展阶段，应变诱导阳极溶解理论、氢脆理论和表面能降低理论是主要的扩展机制。这些理论揭示了腐蚀环境与循环载荷共同作用下，裂纹如何在铝合金中形成并扩展。
图2 腐蚀疲劳机制示意图
影响腐蚀疲劳行为的因素
论文详细分析了影响航空铝合金腐蚀疲劳行为的多种因素，包括外部环境因素（如温度、介质类型）和内部微观结构因素（如晶粒尺寸、织构、析出相和残余应力）。例如，在不同温度下，铝合金的腐蚀疲劳性能表现出显著差异。低温环境下，腐蚀介质活性降低，合金的疲劳性能得到改善；而高温则加速了腐蚀过程，导致裂纹扩展速率增加。此外，合金的微观结构对其腐蚀疲劳性能也有重要影响。细晶粒尺寸和优化的织构可以提高合金的耐腐蚀性和疲劳强度，而析出相的分布和尺寸则直接影响裂纹的萌生和扩展路径。
图3 温度对铝合金腐蚀疲劳行为的影响
腐蚀疲劳表征与寿命预测模型
为了准确评估航空铝合金的腐蚀疲劳性能，论文介绍了三种主要的腐蚀疲劳表征方法：同步腐蚀疲劳试验、预腐蚀疲劳试验和交替腐蚀疲劳试验。这些方法通过模拟实际服役条件下的腐蚀和疲劳交互作用，为研究铝合金的腐蚀疲劳行为提供了有力工具。同时，论文还探讨了腐蚀疲劳寿命预测模型，包括基于损伤力学理论的模型和基于Miner理论的模型。这些模型能够根据合金的微观结构和服役环境，预测其腐蚀疲劳寿命，为航空装备的设计和维护提供了理论依据。
先进成形技术
论文还介绍了基于微观结构调控的先进成形技术，如等通道角挤压（ECAP）和高压扭转（HPT）。这些技术通过改变合金的微观结构，如细化晶粒、优化织构和控制析出相分布，从而显著提高其腐蚀疲劳性能。例如，HPT技术可以在铝合金中形成超细晶粒结构，使其疲劳极限提高一倍以上。这些先进成形技术为改善航空铝合金的腐蚀疲劳性能提供了新的思路和方法。
图4 HPT、ECAP和CR工艺对铝合金性能的影响机理研究
研究结论与展望
综上所述，航空铝合金的腐蚀疲劳问题是一个复杂的多因素交互作用过程。通过深入研究其腐蚀疲劳机制、影响因素、表征方法和寿命预测模型，以及开发先进的成形技术，可以有效提高航空铝合金的腐蚀疲劳性能，延长其使用寿命。然而，目前的研究仍面临诸多挑战，如实际服役环境中多因素耦合对腐蚀疲劳行为的影响、微观结构与宏观性能之间的定量关系等。未来的研究需要进一步深化对腐蚀疲劳机制的理解，开发更加准确的寿命预测模型，并探索更多有效的微观结构调控技术，以满足航空航天领域对高性能铝合金的不断增长的需求。
论文标题：Corrosion fatigue mechanisms and control technologies in aviation aluminum alloys: A critical review
论文作者：陈宇强，贺梓泯，李恒，陆丁丁，宋宇峰，湛利华，潘素平，刘文辉
作者单位：湖南科技大学
出版信息：中国航空学报，doi：https://doi.org/10.1016/j.cja.2025.103496
沪公网安备31011802004991