電機(jī)葉輪組合鍍層斑點(diǎn)原因分析

電機(jī)葉輪組合鍍層斑點(diǎn)原因分析

通過(guò)體視顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及X射線能譜儀對(duì)ST13電機(jī)葉輪葉片表面進(jìn)行分析檢測(cè),葉片表面為銅/鎳/鉻組合鍍層。分析結(jié)果表明:葉片表面的斑點(diǎn)、銹蝕、起皮等缺陷是因氯離子滲入鍍層導(dǎo)致的基體點(diǎn)蝕失效,葉片迎風(fēng)面所受到的高壓氣流、鍍層與鋼鐵基體的電位差等因素促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)過(guò)程。葉片總的鍍層厚度不足5μm,且作為中間層的鍍銅層厚度不足0.3μm,沒(méi)有起到應(yīng)有的結(jié)合基體、阻隔腐蝕介質(zhì)的作用。

鍍層;點(diǎn)蝕;氯離子;失效分析

0 前言

某單位送檢一件電機(jī)葉輪,在葉輪累計(jì)工作80 h后,發(fā)現(xiàn)葉片的迎風(fēng)面上產(chǎn)生紅褐色附著物和異常斑點(diǎn),要求分析其原因。

葉片所用材料為ST13冷軋鋼板,工藝流程為:鍍鎳（無(wú)厚度要求）——鍍銅（10μm）—— 鍍鎳（5μm）—— 鍍鉻（0.5μm）,所用工藝為電鍍。該電機(jī)葉輪的額定轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,工作最高溫度為 200 ℃[1-2]。

1 宏觀檢驗(yàn)

使用放大鏡和體視顯微鏡對(duì)電機(jī)葉輪表面的宏觀形貌進(jìn)行觀察。圖1（a）為電機(jī)葉輪的宏觀形貌,電機(jī)葉輪所有11片葉片的迎風(fēng)面上均存在較多的紅褐色附著物,如圖1（b）中箭頭所指部位。用丙酮對(duì)葉輪葉片進(jìn)行超聲波清洗30 min后,觀察發(fā)現(xiàn)葉片表面鍍層有翹皮、剝落現(xiàn)象,如圖1（c）所示。在剝落層的底部可以觀察到黃褐色的銹斑,如圖1（d）所示。

圖1 表面形貌照片

2 鍍層分析

選用德國(guó)Fisher公司生產(chǎn)的X射線測(cè)厚儀對(duì)送檢葉輪中的8片葉片迎風(fēng)面鍍層進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果,如表1所示。

表1 葉片鍍層檢測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步分析鍍層厚度對(duì)表面斑點(diǎn)的影響,選取其中鍍層最厚的5#葉片和鍍層最薄的2#葉片進(jìn)行橫向解剖、鑲樣,磨制成金相試樣。用掃描電鏡和X射線能譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行線分析,同時(shí)對(duì)鍍層表面的斑點(diǎn)處進(jìn)行點(diǎn)分析。圖2,圖3分別為5#和2#葉片試樣鍍層的線掃描分析結(jié)果。

圖2 5#葉片鍍層SEM形貌及其線掃描分析結(jié)果

圖3 2#葉片鍍層SEM形貌及其線掃描分析結(jié)果

從線掃描分析的結(jié)果可以看出:5#葉片總鍍層厚度約為4.0μm,2#葉片總鍍層厚度約為1.7μm;5#和2#葉片表面均存在銅鍍層,但銅層的厚度僅為0.05～0.29μm。

對(duì)葉片表面的斑點(diǎn)形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),斑點(diǎn)處存在小蝕坑。圖4為5#葉片表面一處斑點(diǎn)的蝕坑形貌,坑洞頂部存在完整的鍍層,坑洞內(nèi)填滿腐蝕產(chǎn)物。為確認(rèn)腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分,用X射線能譜儀對(duì)2#和5#葉片的坑洞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行成分分析,分析結(jié)果,如圖5,圖6所示。結(jié)果表明:坑洞內(nèi)物質(zhì)所含元素有O,Cl,Fe,Ni,其中Ni應(yīng)為鍍層成分,Fe為基體元素,而O,Cl則為外來(lái)元素。

圖4 5#葉片表面蝕坑SEM形貌

圖5 5#葉片表面蝕坑SEM形貌及EDAX分析結(jié)果

圖6 2#葉片表面蝕坑SEM形貌及EDAX分析結(jié)果

3 失效分析與討論

（1）鍍層厚度問(wèn)題

從X射線測(cè)厚儀的檢測(cè)結(jié)果可以看出:檢測(cè)的8片葉片的鍍層厚度遠(yuǎn)小于葉輪的表面處理技術(shù)要求,尤其是作為連接基體和外層鍍層的中間鍍銅層,其厚度僅為0.05～0.29μm。2#和5#葉片鍍層的線掃描結(jié)果也與X射線測(cè)厚儀的檢測(cè)結(jié)果相吻合。

實(shí)際生產(chǎn)中通常采用銅/鎳/鉻的組合電鍍加工方法來(lái)獲得防護(hù)-裝飾性良好的鍍層。鍍銅可以使鋼的表面具有銅的優(yōu)良性能,但為防止銅層的氧化變色,又考慮到銅質(zhì)地柔軟,硬度較低,故常使用鍍銅層作為基體與其他金屬鍍層的中間層,而不是最外層。銅作為中間鍍層,主要是利用銅層孔隙少、韌性好等特點(diǎn),不僅可以提高葉片鋼基體與表面鍍鎳層、鍍鉻層的結(jié)合強(qiáng)度,同時(shí)也可以大大減少整個(gè)鍍層的孔隙率,從而提高最外層鍍層的耐磨性及耐蝕性。另外,銅底層也能夠保護(hù)鋼鐵基體不受酸性鍍鎳槽的腐蝕,并防止置換鍍,使銅層與其上部的鍍鎳層具有較好的結(jié)合力。而受檢的葉片鍍銅層厚度過(guò)小,顯然不足以起到中間層應(yīng)有的作用。

（2）葉片迎風(fēng)面斑點(diǎn)銹蝕問(wèn)題

由于電機(jī)葉輪葉片的鍍層厚度遠(yuǎn)小于表面處理技術(shù)要求,雖然鍍銅層孔隙率小,但因厚度不達(dá)標(biāo),無(wú)法對(duì)外來(lái)腐蝕介質(zhì)起到良好的阻隔效應(yīng)。而鍍鎳層本身存在微小孔隙,電機(jī)葉輪在工作過(guò)程中,額定轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000 r/min,高速氣流對(duì)葉片迎風(fēng)面存在巨大的沖擊力。在巨大的氣體壓強(qiáng)作用下,環(huán)境氣氛中的部分腐蝕介質(zhì)的則會(huì)沿著微小孔隙滲入鍍層和基體的結(jié)合界面。鍍層和鋼鐵基體之間存在化學(xué)電位差,在一定的腐蝕介質(zhì)作用下,會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,界面處的局部微小原電池會(huì)進(jìn)一步增加腐蝕速率。

在蝕坑處的 EDAX檢測(cè)結(jié)果表明:電機(jī)葉輪葉片在坑洞處有化學(xué)產(chǎn)物生成,應(yīng)為蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物,且存在O元素和Cl元素。Cl-可以作為鍍層和基體之間的導(dǎo)通介質(zhì),并直接參與葉輪葉片表層的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。Cl-具有極小的直徑尺寸,在運(yùn)動(dòng)中對(duì)金屬材料的滲透能力極強(qiáng)。雖然葉片表層有一定的銅/鎳/鉻組合鍍層,但作為中間層的鍍銅層厚度極小,且不均勻,Cl-在氣流壓強(qiáng)的作用下能夠極大地增加與葉輪葉片表面的接觸幾率,有助于其穿透金屬鍍層,并與鍍層下方的金屬基體反應(yīng),生成可溶性金屬氯化物,并產(chǎn)生電極電位。而鍍層與鋼鐵基體界面處固有的電位差更能夠促進(jìn)這一反應(yīng)過(guò)程,進(jìn)而產(chǎn)生蝕孔。另外,在經(jīng)過(guò)點(diǎn)蝕的萌生階段后,微蝕孔內(nèi)部的“小陰極”與孔外大面積“大陽(yáng)極”會(huì)形成原電池,從而大大增加了蝕坑的電化學(xué)反應(yīng)速率和擴(kuò)展速率。當(dāng)蝕坑的擴(kuò)展范圍沿著反應(yīng)介質(zhì)的重力方向進(jìn)行時(shí),就會(huì)形成“喇叭孔”、不規(guī)則盲孔等幾何形貌,反應(yīng)生成的金屬氫氧化物即為腐蝕產(chǎn)物的主要成分。

由于組合鍍層中最貼近鋼材基體的為銅,對(duì)腐蝕過(guò)程中的蝕坑與最外層的鎳、鉻有一定阻隔作用。在一段時(shí)間內(nèi)蝕坑無(wú)法與最外層金屬大面積地產(chǎn)生反應(yīng),這就形成了圖4中的特殊坑洞形貌,即:坑洞頂部依然有完好的鍍層。隨著葉輪工作時(shí)間的延長(zhǎng),蝕坑內(nèi)的腐蝕反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,腐蝕產(chǎn)物逐漸將鍍層頂開(kāi),使鍍層逐漸剝落,在葉片的迎風(fēng)面出現(xiàn)較多的銹斑。而電機(jī)葉輪葉片的背風(fēng)面由于在工作中無(wú)高速氣流沖擊,空氣中的Cl-無(wú)法輕易沿著微小孔隙滲入到基體,因此,鍍層和基體之間的電化學(xué)反應(yīng)無(wú)法大面積進(jìn)行,所以葉片背風(fēng)面無(wú)銹蝕斑點(diǎn)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）送檢電機(jī)葉輪葉片鍍層厚度遠(yuǎn)小于表面處理技術(shù)要求,尤其是鍍銅層厚度不達(dá)標(biāo)。建議調(diào)整其電鍍工藝,增加作為中間層的鍍銅層的厚度。

（2）送檢電機(jī)葉輪葉片迎風(fēng)面出現(xiàn)銹蝕斑點(diǎn)的原因是由于鍍層和基體之間發(fā)生的電化學(xué)腐蝕造成的,Cl-在高壓氣流的促進(jìn)作用下滲透通過(guò)鍍層,是導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生斑點(diǎn)的直接誘因。

[1] 胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[2] 朱日彰.腐蝕與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1987.

Cause Analysis for Specks on Compound Coating of Motor Impeller Blades

李 博1,2, 胡偉葉2

（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 211100;2.中國(guó)航天科工集團(tuán)南京晨光廠工藝研究所,江蘇南京210012）

LI Bo1,2, HU Wei-ye2

（1.College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211100,China;2.Technology Research Institute of Nanjing Chenguang Corporation,CASTC,Nanjing 210012,China.）

Stereomicroscope,optical microscope,scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray inspection were used to analyze and test the surface of ST13 motor impeller blades,on which a"copper+nickel+chromium"combination of compound coating is plated.The results show that the surface of the blades have specks,rusty corrosions,peeling and other defects caused by chloride ions penetrating into the matrix leading to pitting failure.The factors of high pressure air applied on the windward side of the blades,potential difference between coating and steel substrate,etc.accelerate the corrosion reaction process.The total coating thickness is less than 5μm,and the middle layer of copper plating is less than 0.3μm,so they do not play a role of binding matrix and obstructing corrosive media.

coating;pitting corrosion;chloride ion;failure analysis

TQ 153

A

1000-4742（2011）05-0010-04

2010-12-03