航空钛合金耐腐蚀性测试中应力腐蚀开裂的检测

航空钛合金因高比强度、优异的耐高温性能成为航空发动机、机身结构的核心材料，但在海洋大气、高温燃油等复杂环境中，易受应力与腐蚀介质共同作用发生应力腐蚀开裂（SCC）——这种“隐形”损伤会逐步削弱结构强度，甚至引发突发断裂，严重威胁飞行安全。因此，在航空钛合金耐腐蚀性测试中，SCC检测是评估材料服役可靠性的核心环节：它既要精准识别微小裂纹的萌生与扩展，也要通过模拟实际工况揭示失效机制，为材料优化、结构设计及在役维护提供数据支撑。

航空钛合金SCC的成因与失效特征

航空钛合金的SCC是“应力-环境-材料”三者协同作用的结果。从应力维度看，部件加工中的残余拉应力（如焊接、机加工产生）、飞行中的周期性载荷（如机翼弯曲应力）是裂纹萌生的“驱动力”；从环境维度，海洋大气中的氯离子、发动机燃油中的硫化物会破坏钛合金表面的钝化膜（TiO₂），形成局部腐蚀点；从材料维度，钛合金中的β相晶粒（如Ti-6Al-4V中的β相）易成为裂纹源——当钝化膜破损后，腐蚀介质渗透至β相晶界，应力集中会加速裂纹沿晶扩展。

与均匀腐蚀不同，SCC的失效具有“潜伏性”：初始裂纹仅数十微米，肉眼难以察觉，但在应力持续作用下会快速扩展至宏观断裂。例如，某型飞机起落架用Ti-6Al-4V合金，在海洋环境中服役2000小时后，检测发现轴颈处存在沿晶SCC裂纹，深度达0.8mm——若未及时排查，可能导致起落架断裂。

此外，钛合金的SCC还具有“环境特异性”：高温燃油环境（＞150℃）中，裂纹多为穿晶扩展（因高温降低钝化膜稳定性）；常温盐雾环境中，裂纹则以沿晶扩展为主（氯离子优先腐蚀晶界）。这些特征是SCC检测的重要参考。

SCC检测的试样制备要求

试样制备是SCC检测的基础，需严格遵循航空标准（如ASTM E8、AMS 2391），确保结果的准确性。以慢应变速率拉伸（SSRT）试样为例，常用“狗骨”形：标距段直径6mm、长度25mm，两端为螺纹或夹持段，便于拉伸机固定。

试样表面处理需去除加工残余应力：先用240目至1200目砂纸逐次打磨，去除氧化皮与划痕，再用电解抛光（电解液为甲醇+5%高氯酸，温度-20℃）去除表面加工应力——若残余应力未清除，会导致测试中“假裂纹”（由残余应力而非服役应力引发），影响结果判读。

预裂纹试样用于评估裂纹扩展速率，制备时需用疲劳试验机预制0.5mm深的半椭圆裂纹（裂纹尖端半径≤10μm），确保模拟实际部件的裂纹形态。例如，发动机叶片用Ti-17合金的预裂纹试样，需符合ASTM E399要求：裂纹长度与试样宽度比控制在0.4~0.6，避免裂纹扩展路径偏离实际。

慢应变速率拉伸（SSRT）：SCC检测的核心方法

慢应变速率拉伸（SSRT）是模拟航空部件缓慢应力变化的关键方法，原理是通过低速拉伸试样（应变率10^-6~10^-8 s^-1），同时将试样置于腐蚀环境中，观察应力与腐蚀的协同作用。

测试流程：将试样完全浸入模拟环境（如5%NaCl盐雾、150℃Jet A-1燃油），拉伸机以恒定应变率拉伸，实时监测应力-应变曲线。若腐蚀环境中的断裂延伸率比空气环境低20%以上，或断裂时间缩短50%以上，则判定材料对SCC敏感。例如，Ti-6Al-4V合金在35℃盐雾中的SSRT测试显示，其断裂延伸率从空气环境的16%降至8%，说明该合金在海洋环境中存在SCC风险。

SSRT的优势在于能同时评估裂纹萌生与扩展，但需注意应变率选择：飞机机身等应力变化缓慢的部件，应变率选10^-8 s^-1；发动机叶片等受冲击载荷的部件，应变率可提高至10^-6 s^-1——应变率过高会导致“应力主导”断裂，失去腐蚀评估意义。

恒载荷/恒位移测试：长期可靠性评估

恒载荷/恒位移测试适用于模拟部件的固定应力状态（如机翼的持续弯曲、焊接接头的固定位移），评估长期服役中的SCC风险。

恒载荷测试常用悬臂梁法：试样一端固定，另一端悬挂砝码施加恒定拉应力（为材料屈服强度的70%~80%），置于腐蚀环境中，定期用显微镜观察裂纹长度。例如，某型飞机尾翼Ti-5Al-2.5Sn合金的恒载荷测试中，试样在盐雾环境服役1000小时后，裂纹从0.1mm扩展至0.5mm，扩展速率约5×10^-7 mm/h。

恒位移测试通过夹具固定试样变形量，监测应力随时间的变化——若应力持续下降，说明裂纹在扩展（裂纹扩展释放部分应力）。这种方法更接近部件实际约束状态，但需确保夹具刚度：若夹具刚度不足，位移波动会导致应力测量误差。

无损检测：在役部件的SCC排查

对于已服役的航空部件，无损检测（NDT）是排查SCC的关键手段，需在不破坏部件的前提下识别微小裂纹。

超声检测：采用5~10MHz高频探头扫描部件，超声波遇到裂纹会反射，通过反射波幅值与位置判断裂纹深度。例如，发动机压气机叶片Ti-6Al-4V合金的超声检测，可发现0.2mm深的SCC裂纹，精度达±0.05mm。

涡流检测：适用于表面/近表面裂纹，通过涡流探头检测阻抗变化（裂纹改变涡流路径）。这种方法对起落架轴颈的表面SCC裂纹灵敏度高，检测速度快，但对深层裂纹（＞1mm）效果差。

荧光渗透检测：将荧光渗透剂涂敷部件表面，渗透剂渗入裂纹后，去除表面多余部分，用紫外线照射，裂纹处发出荧光。这种方法直观易懂，适用于表面开口裂纹，但需确保表面清洁——油污或氧化皮会阻碍渗透剂渗入，导致漏检。

环境模拟：SCC检测的“工况还原”

航空钛合金的SCC检测需模拟实际服役环境，否则结果会与实际偏差较大。常见环境包括海洋大气、高温燃油、液压油等。

海洋大气模拟：用盐雾试验箱将5%NaCl溶液雾化（雾滴1~10μm），温度35℃，相对湿度＞95%，试样连续暴露168小时（相当于海洋环境服役6个月）。这种环境能模拟飞机在沿海机场的腐蚀条件，例如，机翼蒙皮Ti-6Al-4V合金在盐雾暴露后，SSRT断裂时间缩短40%。

高温燃油模拟：用高温高压釜将Jet A-1燃油加热至150℃，压力0.3MPa，试样浸入1000小时。这种环境模拟发动机燃油系统，评估钛合金在高温燃油中的SCC敏感性——Ti-17合金在该环境中的SSRT断裂延伸率从18%降至10%，说明存在风险。

环境参数需严格控制：盐雾浓度误差≤0.1%，温度波动≤1℃，否则腐蚀速率变化会影响SCC检测结果的重复性。

SCC检测的干扰因素与排除

航空钛合金SCC检测中，常见干扰因素需及时排除，确保结果可靠。

试样表面缺陷：划痕、氧化皮会成为额外腐蚀点，导致“假SCC”。排除方法：机械打磨（240~1200目砂纸）+电解抛光，确保表面粗糙度≤Ra0.2μm。

环境杂质：盐雾中的钙镁离子、燃油中的水分会改变腐蚀介质导电性，影响测试结果。排除方法：使用分析纯试剂，定期检测环境参数（如盐雾浓度、燃油水分含量）。

应力施加不准确：恒载荷测试的砝码重量偏差、SSRT的应变率波动，会导致应力水平与实际不符。排除方法：定期校准设备——载荷传感器每6个月校准，应变率控制器每3个月校准，确保误差≤1%。

航空标准：SCC检测的“操作指南”

航空钛合金SCC检测需遵循严格标准，确保结果的可比性与权威性。常见标准包括ASTM、AMS、HB（中国航空标准）。

ASTM G129：SSRT测试核心标准，规定了试样尺寸、应变率范围、环境模拟及结果判定（如腐蚀环境断裂延伸率较空气低20%为敏感）。

ASTM G49：盐雾测试标准，明确盐雾浓度（5%NaCl）、温度（35℃）、喷雾方式（连续雾化）。

AMS 2391：航空钛合金专用标准，针对Ti-6Al-4V、Ti-17等合金，规定了具体测试流程与判据（如Ti-6Al-4V盐雾SSRT断裂时间≥100小时为合格）。

这些标准为航空企业提供了“统一语言”，确保不同实验室的检测结果一致，为材料选型、部件验收提供依据——例如，某航空企业依据AMS 2391，否决了一批SSRT断裂时间不足80小时的Ti-6Al-4V合金，避免了潜在安全隐患。