高速动车组用铝合金型材腐蚀研究

高速动车组用铝合金型材腐蚀研究

冷亚洲 王睿 宋洪杰 管元浩

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266000

摘要：随着我国轨道车辆行业的发展，铝合金越来越多地被用作高速动车组的车体结构材料，以满足轻量化使用的要求。铝合金的屈服强度一般只有普通低碳钢的1/2，抗拉强度是普通低碳钢的2/3，因此疲劳性能较差，铝合金车体型材壁厚相对较薄(一般只有5-6 mm)。因此，有必要研究铝合金的腐蚀及其相应的防护，并找到防护措施。

关键词：高速动车组；铝合金；腐蚀；力学性能；

高速动车组铝合金车体的腐蚀进行分类分析，并针对各种腐蚀情况确定返修方案。

一、铝合金材料在机车车体上的应用

随着机车车辆的不断快速发展，对铝合金材料提出了相应的要求。例如良好的疲劳性能、抗裂纹扩展的能力、良好的表面处理能力、抗腐蚀能力、良好的吸收冲击能力及良好的焊接性能等较高要求。目前，适合机车车辆的铝合金材料主要有A1-Mg．Si(6000系列)及A1．Mg．Zn(7000系列)两大系列。6000系列铝合金在强度方面为中等强度。性能方面具有良好的抗腐蚀性、可焊接性和可成型性。使用方面主要是用于焊接结构件、运输相关设备等。7000系列铝合金在强度方面为中高强度。性能方面具有良好的可成型性、及较好的可焊接性。使用方面主要用于飞机机体结构件及高应力的部件。其中7N01(即7005)铝合金。其作为中等强度的结构材料，具有良好的挤压性能和焊接性能。虽然7N01铝合金在日本市场占有很大的比例。但近几年来，日本开发出了挤压性能、焊接性能和耐腐蚀性能也很优良的铝合金6N01(即6005合金的日产化)。部分代替了7N01、7003铝合金材料。西欧的铝合金车体则大量采用了A1．Mg．Si6005A挤压型材。其主要原因是6005A铝合金的挤压性能更好，生产出来的复杂型材能使车辆结构更合理，使用的性能更优越，生产大大得到简化，并能有效地避免灿．Zn．M97000系列合金应力腐蚀的问题。而其他牌号如6061、6063、6082、6085挤压型材也被采用。

二、车体喷砂后C型槽腐蚀

质量验收时发现车体涂装后车顶部分C型槽局部出现发黑现象，经工程部门共同确认，在C型槽发黑部位切取样块，型材表面黑色物质分析。通过对表面黑色物质的检测报告所测化学元素分析，发现惰性金属元素含量变化较小，活泼金属元素含量有所增加，S、cl元素含量较高，可以推断黑色物质的形成原因如下：(1)通过粉末的成分分析，结合问题车当时的存放环境及可能发生的反应，推断黑色物质主要以无机高分子多价聚合电解质为主，是多种金属化合物的混合物。该类物质形成条件特殊，性质稳定，不会对铝合金基材产生进一步腐蚀。(2)该类现象主要发生在车体二位端，分析认为主要由于厂房内通风不均，在二位端较易形成水膜，然后发生化学反应所致。而发黑物质呈现深浅不一的花纹状，原因主要是c型槽打砂后铝合金表面深浅不一所致。(3)环境影响因素分析。现如今重工业较多，是酸雨多发地区，7、8月份潮湿的空气中含有cl^-、SO^2-₄一等阴离子，且湿气较容易在导热性较好的裸露R金属表面凝结成水膜，形成不连续的电解质溶液分布。而铝合金含有多种金属元素，基体金属与其他金属元素或杂质问存有电位差，可发生电化学反应生成铝离子及其他金属离子。金属离子与溶液中的cl^一、SO^2-₄一生成氯化物及盐类，这类物质进行复杂的水解反应形成了黑色或深灰色的无机高分子多价聚合电解质及其他金属化合物，从而导致c型槽发黑现象的出现。(4)车间生产环节影响因素分析。车体涂装整个过程中能够引起车体c型槽发黑的物料通过与技术支持人员共同分析，认为最有可能引起发黑的物料是阻尼浆。接下来在现车实际生产中模拟c型槽处误喷上阻尼浆，发现该部位无黑色物质生成，进而从反面证明C型槽发黑并非普遍现象，属于特定环境下的偶发问题。黑色物质的去除方法如下：使用80#砂纸打磨C型槽内表面，打磨后无明显可见黑色物质；打磨结束后，须进行彻底清洁，内外表面无残留粉末。

三、残余应力控制方法

1.超声波冲击法。这种方法实现焊缝与母材过渡区形貌的平滑过渡，改善应力集中状况。同时，对焊接残余应力场重新调整，在应力集中处对接头不利的拉应力转变为有利的压应力，金属表面层的强度和接头的疲劳强度也随之提高。经过超声冲击之后，从冲击形成一定深度、数值较大的残余压应力，当表层承受效果上来看.车体铝合金焊接接头的焊接残余应力外加交变载荷时，强化层内的残余压应力会降低外均由拉应力变为了压应力，最大的压应力值约为加交变载荷中的拉应力水平，从而可以提高疲劳裂190MPa。但是工艺的不同，所产生的压应力的大纹萌生的临界应力水平。经过超声冲击之后的试件小也是不一样的。超声冲击处理可使焊接接头表层表面产生了一层压应力，适当的残余压应力能够抑制焊接接头裂纹扩展、减小焊接变形、降低调修量、减小疲劳失效倾向并有利于提高其疲劳寿命。

2.喷砂法。在动车组生产中，在对车体表面喷漆时要先对车体表面进行喷砂处理，而喷砂处理实际上也能够改变焊接结构的表面残余应力。这是因为砂粒在冲击铝合金车体表面时，在铝合金表面形成了密密麻麻的凹坑，使铝合金表面纤维产生变形，而这种变形已经超出了弹性变形的范围，从而使得铝合金纤维产生塑性变形。当冲击力消失以后，铝合金表面纤维反弹时不能够恢复到原来的长度，从而产生残余变形。在铝合金表面的纤维回缩力和铝合金厚度方向的反弹力作用下，使得已经拉长的纤维有着强烈恢复到原来位置的趋势，所以已经拉长的纤维为了回到原来位置，只能对已经拉长的纤维产生压缩作用，这时就产生残余压应力。选取新造动车组侧墙焊缝，喷砂处理后对选定的焊缝位置进行残余应力测量，区域的残余压应力峰值比较新造车经过喷砂后侧墙外侧残余应力均为压应力，但每个区域的压应力峰值大小不一，出现的区域这是由于在喷砂过程中砂粒对铝合金车体的冲击力不一样导致产生的塑性变形和应力值不同。经过喷砂工艺处理焊接接头全部呈现为压应力状态，这样可以有效地抑制疲劳裂纹的产生和扩展，对于提高车体疲劳寿命具有重要的意义。

四、型材腐蚀试验研究

通过盐雾试验、盐雾＼干燥＼潮湿循环试验(下简称“复合试验”)测量铝型材(材质EN AW一6005A)试样抗腐蚀性能，记录腐蚀外观的变化，与实际腐蚀外观进行对比，为制定相应的耐蚀性要求的检验标准提供依据，同时测量腐蚀对机械力学性能的影响。铝型材试验准备试样包括动车组标准铝型材试样和对比试样(纯铝)。室内加速试验。动车组标准铝型材在室内加速试验200 h、500 h、1 000 h后的表面宏观腐蚀形貌，复合试验表面腐蚀相对较轻，实验进行到200 h和500 h后表面变化不大，有非常少量的腐蚀产物堆积现象，到1000 h后试样表面有腐蚀变色，腐蚀产物堆积现象严重。动车组标准铝型材盐雾试验和复合试验500h、1000h去除腐蚀产物后表面形貌。可以看出，2种室内加速试验500h试样表面均没有形成明显的点蚀，1000h后2组室内试验试样表面均出现均匀的点蚀。

总之，通过实验室铝及其合金的盐雾试验、盐雾试验、干湿循环试验，研究了铝型材的腐蚀速率和力学性能。在此基础上，制定了腐蚀标准，为高速动车组型材的加工和应用提供了技术支持。

参考文献：

[1]王富.铝合金运载工具轻量化及其焊接.2018.

[2]陈元良.关于高速动车组用铝合金型材腐蚀研究.2020.