轨道车辆用铝合金材料晶间腐蚀性能评价技术研究案例

一、项目背景

　　国务院《计量发展规划（2013-2020）年》中提出，要在高技术产业、 战略性新兴 产业、现代服务业等经济社会重点领域，按照“全产业链、全溯源链、全寿命周期、前瞻性”的总体要求，研究具有产业特点的量值传递技术和产业关键技术和设备，构建国家产业计量测试服务体系。《市场监管总局关于加强国家产业计量测试中心建设的指导意见（国市监计量〔2020〕72号）》中也明确了筹建国家产业计量测试中心的总体要求和主要任务，规范了筹建和验收要求。

　　中国中车作为高速列车产业装备的引领者，为积极响应国家产业计量测试服务体系建设的需要，进一步发挥国家高速列车产业计量方面的技术优势，做好国家高速列车产业发展的技术支撑，依托旗下龙头企业中车四方股份公司组织筹建国家高速列车产业计量测试中心。该中心已于2018年8月28日获得国家市场监督管理总局筹建批准。

　　高速列车是指能以高速度持续运行的列车，最高行驶速度一般要达到200km/h 以上。我国高速动车组产品覆盖时速200~250公里、300~350公里及以上速度级，已经形成了系列化、谱系化的高速动车组产品平台，高速列车产业已成为支撑国家重大战略实施和拉动国民经济发展的重要支柱产业，为国民经济建设、社会科学进步和综合国力的提升做出了贡献。

　　高速列车主要采用轻量化铝合金材料制造，具有运行速度高、运输能力大、安全性能高、能源消耗少、污染环境轻、乘坐舒适、社会效益好、全天候运行的优点。材料性能直接关乎高速列车全寿命周期的运营安全，适用于高速列车的材料性能检测技术的配套发展对支撑我国高速列车产业技术进步和可持续发展意义重大。

二、项目介绍

　　车体是高速列车系统中最重要的组成部件之一，主要由司机室、底架、侧墙、车顶、端墙及车下设备舱组成。车体断面结构为双层中空结构，由铝合金型材和板材组焊而成，如图1所示。底架、侧墙、端墙所用铝合金板材主要材质为7B05-T4、6082-T651、6005A-T6、5083-O；车顶、司机室所用铝合金板材主要材质为 5083-O；底架所用铝合金挤压型材主要材质为 7B05-T5、6A01-T5、6005A-T6、6082-T6等。车顶、侧墙、端墙、司机室所用铝合金挤压型材主要材质为 6A01-T5、6005A-T6、5083-H112 等。

图1 动车组车体断面图

（一）项目需求分析

　　随着我国铁路跨越式发展，高速化轨道交通装备及其制造技术的引进，使我国轨道交通装备的水准迅速与国际接轨，轨道交通装备制造业的技术水平得以快速提高。基于轨道交通快速发展对高速列车轻量化的要求，铝合金材料因其优异的综合性能以及成熟的异型截面和中空大截面挤压技术，已被广泛用于制造高速列车车体各主要部件，铝合金材料全寿命周期的服役稳定性对列车的安全运营有着至关重要的影响，而腐蚀问题是影响材料安全服役的典型问题，其中的耐晶间腐蚀性能又是考量铝合金材料耐腐蚀性能的重要指标。因此，建立适用轨道车辆特点的铝合金晶间腐蚀测试方法，对潜在风险进行预警，从原材料角度保证列车安全运营成为本次研究的课题。轨道车辆用铝合金材料晶间腐蚀测试存在的主要技术难点有： 

　　（1）国内、外铝合金晶间腐蚀性能相关测试标准中规定了2xxx系、5xxx系以及 7xxx系铝合金的测试方法，而决6xxx系铝合金的晶间腐蚀性能测试则无明确标准；

　　（2）车体主要结构型材断面形式多样、复杂，根据不同型材各自的挤压融合特点，找到不同断面的薄弱区域，对取样位置、数量进行规定，对于保证了型材检验可靠性至关重要。型材的薄弱区对车体结构的后期运行安全至关重要。

（二）项目开展

1. 项目调研

（1）铝合金晶间腐蚀机理分析

　　与均匀腐蚀相比，铝合金更倾向于发生局部腐蚀，每个地方的腐蚀程度会不同，严重腐蚀区域一般所占的比例比较小，但其潜在的危害性比均匀腐蚀要大得多，所以局部腐蚀为铝合金研究与防护的重点。在铝合金中，与晶界相关的局部腐蚀类型主要包括点蚀（PC）、应力腐蚀开裂（SCC）、晶间腐蚀（IGC）和剥落腐蚀（EC）。

　　晶间腐蚀是铝合金在腐蚀溶液中发生的沿晶界或在晶界边缘的地方向里慢慢扩展的一种局部腐蚀，会形成很多黑色的腐蚀沟和腐蚀坑，并且晶粒和晶粒之间存在相互分离的倾向，更有甚者还会发生一些晶粒从合金材料表面脱落的现象，出现严重的晶间腐蚀，严重降低了铝合金的强度。缝隙腐蚀或者点蚀有机会逐渐发展为晶间腐蚀。

　　晶间腐蚀的特征是：从宏观角度来看，铝合金表面似乎没有发生什么变化，但在腐蚀严重的情况下，晶粒之间已经丧失结合力，表现为轻轻敲击遭受晶间腐蚀的合金，已经发不出清脆的金属声，再用力敲击时合金材料会碎成小块，甚至形成粉状，完全失去强度，造成零件和设备突然失效，因此它是一种具有较大破坏性的局部腐蚀，对列车的安全运营影响重大。从微观角度来看，腐蚀是始发于表面，沿着晶界向内部发展，腐蚀形貌是在晶界上或者在晶界附近生成很多不规则形状的腐蚀裂纹和腐蚀坑。

　　对铝合金晶间腐蚀的研究主要包括三种理论：

　　a）晶格本体与晶界析出物之间的腐蚀电位差形成电偶腐蚀，从而致使晶间腐蚀的发生。

　　b）晶格本体与晶界析出物之间的击穿电位差致使晶间腐蚀的发生。

　　c）由于晶界析出相的溶解，从而形成更强侵蚀性的闭塞区腐蚀介质，致使发生连续晶间腐蚀。 

　　一般情况下，铝合金想要发生晶间腐蚀需要同时满足下面三个条件：

　　① α-Al 基体与晶界析出相之间有腐蚀电位差，且电位差不小于 100mV。

　　②在晶界处有析出相的连续分布。

　　③有腐蚀环境的存在。

　　在铝合金中易于产生晶间腐蚀的主要包括：2xxx系铝合金、5xxx系铝合金、7xxx系铝合金。因为6xxx系铝合金基体与析出物的电化学性质接近，所以一般不发生晶间腐蚀，但是如果合金中有硅（Si）过剩、添加了铜（Cu）或者不合适的热处理工艺，都会增加铝合金的晶间腐蚀倾向性。晶间腐蚀的扩展速率比点蚀的要快，但是因为腐蚀溶液和氧气（O2 ）在狭小的腐蚀通道中输送较难，所以晶间腐蚀的深度是比较有限的。当向合金材料深的地方停止腐蚀时或者向深的地方腐蚀比较缓慢时，晶间腐蚀会沿横向方向，而向整个合金表面扩展。

（2）国内外相关测试标准调研

　　铝合金晶间腐蚀测定相关 标 准 主 要 有：《GB/T 7998-2005 铝 合 金 晶 间 腐 蚀 测 定 方法》 和《ASTM G110-92(Re2009) Standard Practice for Evaluating Intergranular Corrosion Resistance of Heat Treatable Aluminum Alloys by Immersion in Sodium Chloride + Hydrogen Peroxide Solution》。其中，GB/T 7998主要参考ASTM G110编制， 适用于2xxx系、5xxx 系、7xxx系铝合金的检查和测定， 未涉及6xxx系铝合金；ASTM G110-92(Re2009) 标准中也未对 6xxx 系铝合金晶间腐蚀的测定做细节性的说明。

2. 研发过程

　　（1）样本积累

　　根据前期铝合金性能测试分析经验，选取具有代表性的铝合金型材和板材为研究对象，针对挤压融合特点进行平行取样对比测试，取样涵盖同炉同批次、同炉不同批次和不同炉不同批次，确保足够的样本数，为测试标准的制定积累基础数据，获得适用于高速列车车体铝合金用晶间腐蚀测试方法和评判依据。

　　（2）标准编制

　　通过对既有铝合金晶间腐蚀相关测试标准的分析，结合前期积累的数据，制定《轨道车辆用 6 系铝合金材料晶间腐蚀试验方法》，规定试验试剂、试验装置、试验条件、试验步骤及试验结果的评定方法，为材料的选用提供支撑。

　　为了保证标准的协调性和可操作性，结合和参考国内、外有关铝合金材料晶间腐蚀技术资料，在标准条文中结合实际情况作了一些相应的规定，要点如下：

　　1）试验试剂：开展试验所需试剂的种类以及配比主要参考GB/T 7998—2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》中的规定。

　　2）试样要求：根据高速列车车体用铝型材、铝板材特点，结合前期积累的晶间腐蚀测试经验，推荐了常用的试样规格；为保证试验结果具有代表性，规定每组平行试样数量 3 个且取自同一批号材料；对于铝型材，因其挤压融合口通常可能存在薄弱环节，对这类典型区域须加以考量。

　　3）试验程序：溶液配制和试 验 温 度 参 照 GB/T 7998-2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》来 确 定， 试 验 时 间 根 据 ASTM G110-92(Re2009) 和前期测试经验来确定。

　　4） 结果评定：依据 GB/T 7998-2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》中晶间腐蚀等级表，以腐蚀的最大深度对测试结果来进行等级划分。

　　（3）成果运用

　　通过轨道车辆用铝合金材料晶间腐蚀性能评价技术研究，建立的铝合金晶间腐蚀测试方法在标准动车组平台上实现了运用。

　　（4）成果展现

　　目前已申报《轨道车辆用 6系铝合金材料晶间腐蚀试验方法》企业标准，待颁布实施。随着公司动车组产品全6系化发展战略，通过建立企业标准，可客观评价高速 列车用6005A、6A01以及6082材料是否可装车使用，为协同供货技术条件提供技术支撑。

三、项目总结

　　通过分析国内外铝合金晶间腐蚀相关测试标准，并结合对铝合金晶间腐蚀机理的研究，从现车特点出发，开展大量样本测试，完成了适用高速列车特点的铝合金晶间腐蚀测试方法的建立，对潜在风险进行预警，从原材料角度保证列车安全运营。

四、结束语

　　国家高速列车产业计量测试中心将秉承中国中车发展战略，坚持“国家需要至上、产业发展至上”工作原则，坚持自主创新、开放创新和协同创新，坚持正向设计方向，以需求牵引为导向，创新计量服务模式，以服务和支撑高速列车产业发展为使命，全面提升技术创新能力，推动中国轨道交通装备产业向产业链、价值链高端攀升，为实现“中车创造”与“中国创造”和高速列车产业持续快速发展提供强有力的技术保障。