Коррозионное и электрохимическое поведение композиционных

ВИАМ/1982-198530
Коррозионное и электрохимическое поведение
композиционных материалов на основе
металлической матрицы
В.П. Батраков
М.А. Тимонова
В.С. Комиссарова
В.Ф. Строганова
Н.В. Егорова
Г.И. Спирякина
Январь 1982
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Авиационная промышленность», № 8, 1982 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Коррозионное и электрохимическое поведение
композиционных материалов на основе металлической матрицы
В.П. Батраков, М.А. Тимонова, В.С. Комиссарова,
В.Ф. Строганова, Н.В. Егорова, Г.И. Спирякина
Композиционные материалы (КМ) на основе алюминиевой и магниевой
матриц являются типичными гетерогенными системами, к которым
применимы основные закономерности структурной коррозии традиционных
алюминиевых и магниевых сплавов.
С точки зрения электрохимии КМ можно рассматривать как классический
многоэлектродный элемент, состоящий из матричного сплава, армирующих
волокон
и
переходных
зон,
где
возможно
образование
фаз
и
интерметаллидов. Армирующий материал сам может представлять собой
сложный электрод (например, борное волокно, состоящее из вольфрамового
стержня, диборидов вольфрама и бора).
Было исследовано коррозионное и электрохимическое поведение ряда КМ:
КМ
КАС1
ВКА1
ВКУ1
ВКМ1
Матрица
АД1
АД1
АЛ9
МА2-1
Армирующий материал
Проволока ВНС-9
Волокна B
Волокна C
Волокна B
Коррозионные испытания КМ на алюминиевой матрице проводили по
стандартным методикам при полном погружении в 0,5 н. раствор NaCl в
камерах искусственного морского и тропического климата, в естественных
условиях морских тропиков и промышленного района; ВКМ1 – при полном
погружении в 0,005 н. и 0,5 н. растворы NaCl и в камере искусственного
тропического климата.
Исследования проводили на образцах с изолированными (ИТ) и
неизолированными
(НТ)
торцами.
В
качестве
изоляции
применяли
лакокрасочные покрытия (ЛКП).
Коррозионное растрескивание изучали при постоянной деформации
(напряжение 0,9σ в ) на образцах в форме дуги, вырезанных в долевом
направлении. КАС1, ВКА1, ВКУ1 испытывали при переменном погружении
в 0,5 н. NaCl, ВКМ1 – в тропической камере.
Поляризационные кривые снимали на потенциостате П-5827, беря
значения
потенциалов
по
отношению
к
нормальному
водородному
электроду. Борные волокна экстрагировали из КМ в 0,1 н. растворе НСl. О
полноте экстрагирования судили по отсутствию на поверхности частичек
матрицы при рассмотрении волокон в микроскопе «Комебакс». Для
измерения потенциалов и снятия поляризационных кривых использовали
борные волокна в виде пучка с условной площадью 1 см2. Установлено, что
все исследованные армирующие материалы являются катодными по
отношению к матрицам. Для КМ с алюминиевыми матрицами значения
потенциала и катодной эффективности можно расположить в следующий
ряд: С>В>ВНС-9 (рис. 1 и 2).
Рисунок 1. Изменение потенциалов компонентов КМ
с алюминиевой матрицей во времени в 0,5 н. растворе NaCl
Рисунок 2. Поляризационные кривые КМ с алюминиевой
матрицей и их компонентов в 0,5 н. растворе NaCl
При исследовании электрохимической совместимости армирующих
волокон и магниевой матрицы по коррозионной диаграмме установлено, что
наименее эффективным катодом является борное волокно (рис. 3): ток пары в
этом случае на несколько порядков меньше, чем при применении других
волокон. Из табл. 1 видно, что борное волокно в экстрагированном виде (В э )
имеет более отрицательный потенциал и значительно большую катодную
эффективность, чем в исходном (В и ).
Рисунок 3. Поляризационная коррозионная диаграмма матрицы
МА2-1 и армирующих волокон в 0,005 н. растворе NaCl
Таблица 1.
φ, В
Начальный
Стационарный
Ви
ИТ
+0,17
+0,28
НТ
ИТ
+0,31 +0,09
+0,45 +0,03
Вэ
НТ
+0,05
-0,14
W
С
ВНС-9 ВТ5
-0,01 +0,29 +0,09 -0,28
+0,03 +0,30 +0,20 +0,32
MA2-1
-1,44
-1,12
На рис. 4 приведены анодные и катодные поляризационные кривые
ВКМ1. Анодные кривые КМ с изолированными и неизолированными
торцами и листового материала МА2-1 практически не различаются. При
потенциале коррозии анодный процесс протекает беспрепятственно (область
пробоя), и только при большом токе образуется область псевдопассивности
вследствие торможения анодного процесса накопившимися продуктами
коррозии. Катодные кривые, снятые на ВКМ1 с изолированными торцами и
листовом материале МА2-1, идентичны. Различно протекают катодные
процессы в материале с неизолированными и изолированными торцами: в
первом случае катодный процесс облегчается и скорость коррозии
увеличивается. Такое же явление отмечено в КМ на алюминиевой основе.
Рисунок 4. Поляризационные кривые ВКМ1
в 0,005 н. растворе NaCl: 1 – НТ; 2 – ИТ; 3 – МА2-1
Из парциальных анодных кривых для КМ на основе алюминиевой
матрицы (см. рис. 2) следует, что матрицы из сплавов АД1 и АЛ9 находятся в
состоянии
пробоя.
Поэтому
контакт
с
катодными
армирующими
материалами, приводящий даже к небольшому смещению потенциала матриц
в сторону положительных значений, вызывает более интенсивную коррозию
(табл. 2). По границе с армирующими материалами развивается контактная
коррозия и расслоение. Степень коррозии матрицы зависит также от природы
армирующего материала и занимаемой им площади. При этом величина
коррозионных токов матрицы, как правило, определяется величиной
предельных диффузионных катодных токов армирующих материалов и
переходных зон.
Таблица 2.
Материал
ВКМ1 с естественной
пленкой
ВКМ1 с хроматной
пленкой
МА2-1 с естественной
пленкой
Скорость коррозии, г/м2⋅сут
в 0,005 н. растворе
в 0,5 н. растворе
NaCl
NaCl
НТ
ИТ
НТ
ИТ
12,47
5,42
81,72
17,67
5,30
2,92
2,20
55,07
–
13,40
в тропической
камере (НТ)
0,26
0,015
0,20
Как видно из рис. 5, у образцов КАС1 с изолированными торцами после
испытаний в камере морского климата в течение 2,5 мес и при полном
погружении в 0,5 н. раствор NaCl потеря массы ∆m в 2,5 раза меньше, чем у
образцов без изоляции торцов, но в 3–5 раз больше потери, чем у материала
матрицы. После испытаний в естественных условиях морских тропиков в
течение 6 мес коррозионные поражения на основной поверхности КАС1
имеют диаметр до 2 мм и глубину до 0,6 мм; при этом обнажается проволока
ВНС-9. Сначала коррозирует поверхностный слой матрицы, затем коррозия
ускоренно развивается в матричном слое вокруг упрочняющей проволоки. В
условиях тропической камеры и в атмосфере промышленного района КМ
обладают более высокой коррозионной стойкостью.
Рисунок 5. Коррозионная стойкость КАС1:
1 – НТ; 2 – ИТ; 3 –АД1
Наименьшая скорость коррозии ВКМ1 наблюдается в тропической
камере. Ионы хлора сильно увеличивают ее. В 0,5 н. растворе NaCl она
велика, поэтому в морских условиях применять ВКМ1 не рекомендуется.
Защита торцов значительно уменьшает скорость коррозии. В условиях
тропической камеры она практически равноценна скорости коррозии
листового материала МА2-1. Значительное повышение коррозионной
стойкости ВКМ1 наблюдается после обработки в хроматных растворах.
Хроматные пленки являются необходимым подслоем под ЛКП.
Исследованные КМ ВКМ1, КАС1, ВКА1, ВКУ1 обладают высоким
сопротивлением к коррозионному растрескиванию. Коррозионная стойкость
КМ находится в прямой зависимости от технологии изготовления. При
недостаточной плотности пакета, неудовлетворительном сцеплении волокон
и матрицы, повышенном содержании диборидов алюминия и недостаточной
толщине внешнего слоя матрицы она резко снижается. Неплотности и
каналы по торцам приводят к проникновению коррозии в глубину материала
и
расслаиванию,
особенно
по
торцам,
вследствие
избирательного
растворения матрицы усугубляемого катодным действием армирующего
материала, с последующим развитием щелевой коррозии. Поэтому заделка
(изоляция) торцов имеет исключительно важное значение при выходе
армирующих волокон на поверхность в местах срезов, запиловок и
рассверленных отверстий. Особенно эффективной заделкой торцов являются
металлургические способы.
Разработанные способы защиты КМ с применением химических
неметаллических неорганических покрытий, лакокрасочных материалов и
герметиков
обеспечивают
достаточную
коррозионную
стойкость
исследованных КМ при эксплуатации в общеклиматических условиях.