發(fā)動機磁性檢屑器異常表面分析

魏 磊，孫智君，劉 朝

(中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(集團) 有限公司，西安 710021)

0 引言

航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)的工作狀況不僅影響發(fā)動機的工作性能和壽命，而且由于滑油系統(tǒng)故障導致飛行事故也屢見不鮮，滑油系統(tǒng)故障監(jiān)測可迅速確定故障部位及故障嚴重程度，有利于減少投入，縮短飛機的停飛時間，提高飛機的出勤率［1］。磁性檢屑器就是用來監(jiān)測進入滑油系統(tǒng)中的各類磁性屑末，進而監(jiān)測出系統(tǒng)中齒輪、軸承和其它部件的磨損或故障，反映出零件的破壞形式，從而有效防止發(fā)動機機械故障發(fā)生［2］。磁性檢屑器常用鋁合金或奧氏體不銹鋼等抗磁材料制作，其中鋁合金件為提高耐蝕性需經陽極化處理，但陽極化膜在腐蝕性較強的環(huán)境中，仍然可能產生腐蝕，使得鋁材器件使用壽命大幅降低，甚至使用很短時間就完全失效［3-6］。鋁合金磁性檢屑器腐蝕產物進入滑油系統(tǒng)，一方面污染滑油，可引起其它零件腐蝕;另外硬度較高的腐蝕產物顆粒還可引起其他零件的損傷，易于誘發(fā)軸承、齒輪等零件的破壞，直接危害到飛行安全。

某型航空發(fā)動機新機交付后在庫房中放置半年時間，裝機檢查時，發(fā)現(xiàn)輔助齒輪箱下磁性檢屑器表面異常，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)檢屑器表面呈現(xiàn)黑色和白色;2)檢屑器孔口及內部液體中有大量白色沉淀物質;3)在輔助齒箱回油泵進口處溝槽收集到少量滑油，其中也有大量白色沉淀物質。其中磁性檢屑器基體材料為LY11 鋁合金，輔助齒輪箱裝4050 滑油。

鑒于磁性檢屑器的表面異?，F(xiàn)象，對表面異常的磁性檢屑器進行了形貌和成分分析，并進行了表面異?，F(xiàn)象產生原因的調查和模擬試驗，分析磁性檢屑器表面異常性質及形成原因。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀觀察

磁性檢屑器異常表面的宏觀形貌如圖1 所示，磁性檢屑器正常部位的顏色為藍紫色，而磁性檢屑器局部表面呈白色和黑色，部分區(qū)域露出基體材料，在檢屑器孔口及內部液體中有大量白色沉淀物質。

由磁性檢屑器所在部位的齒箱不同部位抽取滑油進行觀察，如圖2 所示。可見發(fā)動機齒箱內不同部位滑油存在明顯差異:在輔助齒箱回油泵進口處溝槽收集到的少量滑油有明顯的分層現(xiàn)象，且內部存在白色沉淀物(圖2a);在輔助齒箱前蓋下部和高速齒箱磁檢處收集到的滑油清亮，無分層及沉淀現(xiàn)象(圖2b、圖2c)。

圖1 磁性檢屑器的宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of the magnetic chip detector

圖2 發(fā)動機滑油形貌Fig.2 Morphology of slide oil in the engine

1.2 磁性檢屑器異常表面微觀觀察

采用FEI-Quanta400 型掃描電鏡對檢屑器異常表面進行微觀觀察，其表面呈現(xiàn)明顯的黑白相間區(qū)域，部分表面有白色結晶物粘結，對各區(qū)域形貌分別進行觀察。露出基體的銀白色區(qū)域為階梯組織或凹坑組織特征［7］，放大后呈現(xiàn)蜂窩狀表面形貌(圖3a、圖3b);而局部黑色區(qū)域表面呈現(xiàn)泥紋特征，有腐蝕產物覆蓋，部分表面有白色結晶狀腐蝕產物粘結(圖3c、圖3d)。

磁性檢屑器表面形貌觀察結果表明，磁性檢屑器表面異常屬于腐蝕損傷，白色結晶處為腐蝕產物粘結，黑色表面為腐蝕表面，白色基體為腐蝕產物剝落形成。

1.3 磁性檢屑器表面能譜分析

對磁性檢屑器異常表面進行能譜分析，能譜分析的區(qū)域見圖4，區(qū)域A 為黑白相間的成分分析區(qū)域，區(qū)域B 為黑色成分分析區(qū)域。成分分析結果見表1。

能譜分析結果表明，磁性檢屑器異常區(qū)域除了基體LY11 鋁合金成分外，異常表面含有較高的Na、O、Mg 等3 種元素，Mg 除部分來源于LY11磁性檢屑器外，其余可能來源于輔助齒輪箱(鑄鎂件)，O 主要來源于腐蝕介質，因此，造成磁性檢屑器腐蝕的介質含有Na 元素。

1.4 磁性檢屑器白色結晶物化學分析

由磁性檢屑器孔口處收集少量的白色結晶物，呈固態(tài)顆粒狀，通過化學滴定法定性分析白色結晶物，結果表明:白色結晶體中含有Na、Al、Mg和OH－，不含有Cl－，由陰、陽離子判斷，說明磁性檢屑器腐蝕產物可能為Na、Al 元素形成的鹽類物質，以及Al、Mg 元素形成的固態(tài)顆粒狀不溶于水的堿性物質Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物質。

表1 磁性檢屑器表面能譜分析結果(質量分數/%)Table 1 Energy spectrum analysis results of the surface of magnetic chip detector (mass fraction/%)

1.5 滑油分析

前述了發(fā)動機齒箱內不同部位收集的滑油存在外觀形貌的差異，對此就齒箱內不同部位處收集的滑油進行分析。

1)滑油pH 值測定。

對于發(fā)動機齒箱內不同部位滑油的pH 值進行測定。測定結果表明，輔助齒箱前蓋下部、高速齒箱磁檢處收集的滑油進行pH 試紙檢測時，pH值試紙不發(fā)生浸潤，且無pH 值的顯示。而在輔助齒箱回油泵進口處(即發(fā)生腐蝕的磁檢部位)的滑油浸潤了pH 試紙，pH 值為8，表明此處收集的滑油中含有水份，且呈現(xiàn)堿性。

2)滑油光譜分析。

首先對滑油進行光譜分析，其結果見表2。

圖4 異常表面能譜分析區(qū)域Fig.4 Energy spectrum analysis result of the abnormal surface

表2 不同部位處滑油光譜分析結果Table 2 Energy spectrum analysis results of different parts of the engine mg·L －1

通過對發(fā)動機齒箱內不同部位滑油的光譜分析結果，以及依據白色結晶物內含有的元素可知，在輔助齒箱回油泵進口處收集的滑油中Na 的含量很高，而且其宏觀形態(tài)具有明顯的分層現(xiàn)象，內部存在白色沉淀物，而在輔助齒箱前蓋下部和高速齒箱磁檢處收集的滑油中未發(fā)現(xiàn)Na，且滑油宏觀形態(tài)清亮，無分層及沉淀現(xiàn)象。結合1.4 節(jié)中反應物及滑油pH 呈堿性判斷，進入滑油系統(tǒng)的腐蝕介質可能為元素Na 形成的鹽類物質或者Na的堿性物質，它們是造成輔助齒箱回油泵進口處滑油產生分層的主要原因。

3)輔助齒箱回油泵進口處滑油內沉淀物分析。

通過化學滴定法對輔助齒箱回油泵進口處滑油內沉淀物進行定性分析，結果表明白色結晶體中含有Na、Al、Mg 等3 種元素以及CO32－ 和OH－，由陰、陽離子判斷，進一步說明滑油內沉淀物與磁性檢屑器上的腐蝕產物性質相同，均為Na和Al 形成的鹽類物質，及Al 和Mg 形成的堿性物質Al(OH)3、Mg(OH)2等組成的混合物。

2 模擬驗證試驗

為了進一步查找磁性檢屑器異常表面產生的原因，對該零件裝配前后經歷的工序進行了調查。調查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機試車完成后，放掉滑油，依據“金屬材料和零件用水基清洗劑技術條件(HB 5226—1982)”，用APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑配成為3%的水溶液清洗發(fā)動機零件。該清洗劑為堿性，pH 值為8～11.5。為了驗證該清洗劑可否造成磁性檢屑器表面腐蝕，開展了2 個階段試驗:

1)第1 階段試驗。對APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑的化學成分進行分析。采用化學滴定法檢測該清洗劑，檢測結果表明該清洗劑中含有NaOH、Na2CO3等物質，總的堿性按照NaOH 當量計算約為17.5%。這說明該種清洗劑所含物質與磁性檢屑器腐蝕產物構成相似。

此外，采用APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑與滑油進行混合后，靜置一段時間后，滑油也產生了分層現(xiàn)象。

2)第2 階段試驗。根據第1 階段的試驗結果，參考實際工況，設計了加速腐蝕試驗。用APC－Ⅰ型清洗劑配制成30%濃度的水溶液，加熱至沸騰狀態(tài)下保持，將LY11 鋁合金試片以半浸入液體的方式懸掛，部分試片暴露于液面以上加速試驗，在沸騰的清洗劑中先后保持3 h 和6 h，以加速試驗方式考察其對LY11 鋁合金的腐蝕情況。

熱腐蝕試驗前后鋁合金試片形貌見圖5。結果表明，鋁合金試片在腐蝕一段時間后，未浸入溶液的部分表面出現(xiàn)大量白色結晶物。然后用水沖洗去除掉試片上的白色結晶物后，觀察試片表面發(fā)現(xiàn)鋁合金試片表面上出現(xiàn)了腐蝕跡象。

圖5 模擬試驗對比Fig.5 Contrastive morphology in the simulation test

對鋁合金試片在其熱腐蝕前，以及熱腐蝕后去除表面結晶物后，進行稱重，其結果見表3。

表3 腐蝕前后重量變化Table 3 Change of the weight before and after corrosion g

試驗結果表明，試片經過熱腐蝕試驗后出現(xiàn)氧化增重，說明試片表面生成了鋁酸鹽或Al(OH)3，引起增重。當腐蝕達到足夠厚度時剝落才會形成減重。因此，試樣表面結晶物主要為鈉鹽，當有腐蝕產物剝落后才會形成Na、Al 的鹽類及堿性物質Al(OH)3的混合物。

模擬試驗結果表明，APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑為堿性，對于鋁合金具有腐蝕性，可生成與磁性檢屑器白色結晶物相似的腐蝕產物。據此推斷，APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑具有導致磁性檢屑器腐蝕的可能。

3 分析與討論

磁性檢屑器異常表面分析結果表明磁性檢屑器表面顏色變化為腐蝕所致，其腐蝕產物為Na、Al 形成的鹽類物質，以及Al、Mg 形成的堿性物質Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物質?？梢娫斐纱判詸z屑器腐蝕的物質應屬于堿性物質。當金屬材料與電解質溶液相互接觸時，在固/液相界面上將發(fā)生自由電子參加的氧化還原反應，導致接觸面處金屬轉變?yōu)榻饘匐x子而溶解或生成氫氧化物和氧化物等穩(wěn)定化合物，該過程為電化學腐蝕［8］。結合腐蝕產物構成看，磁性檢屑器應屬于電化學腐蝕，腐蝕表面的階梯組織或凹坑組織特征也表明電化學腐蝕的存在。從磁性檢屑器與相關件的接觸情況看，其與鑄鎂殼體、橡膠件和滑油接觸，橡膠和滑油絕緣，因此，磁性檢屑器的電化學腐蝕既有異種金屬接觸的作用，也有腐蝕介質在其中分布不均的濃度差異因素的作用。

根據發(fā)動機經歷工序調查，磁性檢屑器唯一接觸到腐蝕介質的工序就是APC－Ⅰ型清洗劑清洗零件。模擬驗證試驗結果表明，APC－Ⅰ型清洗劑含有NaOH、Na2CO3等堿性物質，為堿性水溶液，對LY11 合金有腐蝕作用，而且產生了白色結晶物，腐蝕產物與磁性檢屑器腐蝕產物相似。因此，造成磁性檢屑器發(fā)生腐蝕的介質來源于APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑。

實際磁性檢屑器有深約5 μm 的陽極化膜層，具有一定的防腐蝕能力，但磁性檢屑器需要多次裝拆，裝拆時氧化膜易劃傷并露出基體，導致其腐蝕能力下降，一旦接觸到APC－Ⅰ型金屬零件用水基清洗劑，即會造成腐蝕。

4 預防措施

1)注意磁性檢屑器裝拆時的操作，盡量避免劃傷。

2)在用APC－Ⅰ型水基清洗劑對發(fā)動機齒箱內部清洗時，應檢查齒箱保護蓋是否蓋好，避免APC－Ⅰ型水基清洗劑進入到磁性檢屑器部位。

3)使用APC－Ⅰ型水基清洗劑對發(fā)動機齒箱內部清洗后，應及時用大量水清洗，避免APC－Ⅰ型水基清洗劑殘留在齒箱內部。

5 結論

1)磁性檢屑器表面異常屬于腐蝕所致，白色結晶物為腐蝕產物，主要為Na、Al 形成的鹽類及Al(OH)3、Mg(OH)2的混合物。

2)輔助齒箱回油泵進口處收集到的滑油含有堿性水溶液，是導致磁性檢屑器腐蝕的主要原因。

3)模擬試驗表明，APC－Ⅰ型水基清洗劑對于鋁合金具有腐蝕性，反應生成物與磁性檢屑器白色結晶物相似。

4)造成磁性檢屑器腐蝕介質來源于零件清洗用APC－Ⅰ型水基清洗劑。

［1］朱祖芳.鋁合金陽極氧化與表面處理技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004:65－74.

［2］曾榮昌，韓恩厚.材料的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006:13－17.

［3］王立綱.航空發(fā)動機的滑油系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］.科技經濟市場，2010，9:9－11.

［4］吳紅美，陳邦石.智能型磁性屑末檢測信號器探討［J］.摘自萬方數據庫.317－320.

［5］姚思童，孫雅茹，徐炳輝，等.鋁及鋁合金陽極氧化膜的耐腐蝕性能［J］.材料保護，2010，43(8):40－41.

［6］李家柱，馬頤軍，祁鳳玉.鋁合金陽極氧化和化學氧化試樣大氣暴露試驗研究［J］.材料保護，2001，34(5):7－8.

［7］全國鋼標準化技術委員會.GB/T 4334—2008 金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008:13.

［8］李淑英，王華，馬力，等.微孔陽極氧化鋁膜的制備及膜的耐蝕性能研究［J］.表面技術，2000，29(4):9－10.