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

Abstract

Corrosion is one of the major damage problems met in aircraft structures that can significantly affect its structural integrity. Accumulated corrosion damage on ageing aircrafts may lead to premature failure of the aircraft components due to interactions with other forms of damage such as fatigue cracks. The increasing demand of aeronautic industries for reduction of energy consumption and increase in payload led the material engineers to the development of light-weight materials with improved mechanical properties in several parts of the aircraft structure. Thus, the development of third generation Al-Cu-Li alloys took place. Some of their advantages that make them preferable than conventional Al-Cu aluminium alloys are the low density, improved specific strength, high stiffness to weight ratio and good corrosion resistance. However, it is of major importance for all aircraft structural components to withstand corrosive environments while continuing to perform at optimum levels after long-term operation (simulating natural ageing). The ageing-induced thermomechanical transformations in old aircrafts significantly influence their corrosion behaviour with the corrosion-induced degradation to be irreversible unlike mechanical properties degradation which can be reversible with special treatments. Hence, it is crucial to identify the corrosion degradation mechanisms on aircrafts in order to give feedback for the development of anti-corrosion protection methods and enhance aircrafts structural integrity. The present Thesis aims to identify the corrosion-induced degradation mechanisms of Al-Cu and Al-Cu-Li alloys and correlate these mechanisms with corrosion-induced degradation of mechanical properties. Higher emphasis is given on ductility which is evaluated through elongation at fracture Af. Comparison of Al-Cu against Al-Cu-Li alloys is performed during the whole Thesis in order to highlight the potential of Al-Cu-Li alloys and justify the replacement of Al-Cu alloys in aircraft structures. Towards these objectives exposure of specimens to different corrosive environments was performed and both the corrosion kinetics as well as the residual mechanical properties were investigated through immersion tests, electrochemical tests (electrochemical impedance spectroscopy-EIS, potentiodynamic polarization), microscopic examinations (e.g., light optical microscopy, stereoscopical analysis, scanning electron microscopy-SEM, transmission electron microscopy-TEM, micro X-ray computed tomography-XCT) and mechanical tests (tensile, fatigue, fracture toughness). Different embrittlement mechanisms were noticed for the different corrosive solutions for both Al-Cu and Al-Cu-Li alloys. Grain boundary embrittlement was evident at specimens exposed to EXCO solution, which lead to secondary cracking formation, while intergranular and transgranular corrosion were present at 3.5 wt. % NaCl solution. Corrosion degrades all aspects of the tensile behaviour of AA2024-T3 at a higher level and rate compared to the respective degradation of AA2198-T8 at long exposure times, where pitting corrosion mechanism takes place. Regarding elongation at fracture, AA2024-T3 was found to degrade at much higher rates even at short exposure times where hydrogen embrittlement is possibly the dominant degradation mechanism.Synergetic effect of micro-cracks and hydrogen embrittlement was revealed in Al-Cu 2024-T3 alloy. Hydrogen embrittlement on AA2024-T3 specimens corroded on both surfaces was found to contribute to approximately 27% of the ductility (Af) decrease while micro-crack formations to the rest 73%. Different corrosion attack mechanisms were noticed for the different exposure times and the different surfaces of the alloys. Depth of micro-cracks increases with increasing exposure time to exfoliation corrosion (EXCO) solution and for the single-sided corroded specimens of AA2024-T3 this depth is essentially higher than for the respective half-corrosion exposure time for the both-sided corroded specimens. Pitting corrosion on both surfaces of Al-Cu-Li 2198-T351 alloy was noticed for the short exposure times while two cases of corrosion damage were noticed for long exposure time (≥ 24 hours): a) the formation of corrosion-induced surface cracks on the small side-surfaces along with transition to exfoliation on the large surfaces due to grain boundaries delamination and b) the accumulated corrosion products on the large surfaces. Regarding Al-Cu 2024-T3 alloy, pitting corrosion within grain boundaries was evident for short exposure times, while connection of corrosion-attacked sites along with cracking between the grains, was the dominant corrosion degradation mechanism for long exposure times. AA2024 was found to be more sensitive to side-surfaces corrosion attack, where a contribution of approximately 60% to the total Af decrease was noticed for short exposure times, while accumulated corrosion on large surfaces (L/LT) is more critical in ductility decrease regarding Al-Cu-Li 2198 alloy. AA2024 showed high responsiveness to microstructural transformations due to artificial ageing heat-treatments since both the electrochemical behaviour and the mechanical properties of the different ageing tempers exhibited high differences, with the peak-aged (PA) specimens to be less susceptible to corrosion evolution. However, this was not the case for AA2198 where no notable differences between the different ageing tempers were observed regarding corrosion propagation. In general, the advanced Al-Cu-Li 2198 alloy seems to be more corrosion resistant than Al-Cu 2024 both in terms of charge transfer resistance and Af reduction rates; however, this superiority is more intense in short exposure times where slight pitting formation takes place.

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.