發(fā)動機(jī)氣缸體泄漏原因分析

劉德林，胡成江，李 崗，陶春虎，何玉懷，劉 洲

(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；2.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán)) 有限公司，成都 610092；3.山西平陽重工機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 侯馬 043003)

0 引言

1Cr18Ni9Ti 鋼屬于Cr-Ni 型奧氏體不銹鋼，在常溫和低溫下有良好的塑性、韌性、焊接性、抗蝕性及無磁性，因而廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金機(jī)械、航空航海等領(lǐng)域［1］。在應(yīng)用中，應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)是Cr-Ni 型奧氏體不銹鋼的常見失效形式，SCC 約占石化企業(yè)設(shè)備失效事例總數(shù)的50%［2］，不銹鋼 約占常 見材料SCC 事故的55%［3］。因此，控制Cr-Ni 型奧氏體不銹鋼的SCC 是不銹鋼和腐蝕領(lǐng)域里十分關(guān)注的問題。由于1Cr18Ni9Ti 對Cl－環(huán)境介質(zhì)下的應(yīng)力腐蝕非常敏感，國內(nèi)的航空材料體系已將1Cr18Ni9Ti 列為限用材料。然而，某些行業(yè)早期產(chǎn)品加上一些形狀復(fù)雜的產(chǎn)品仍有大量使用1Cr18Ni9Ti 材料，未充分考慮材料的環(huán)境適應(yīng)性問題，故在某種特定環(huán)境下仍較易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。因此，對于1Cr18Ni9Ti 不銹鋼零件的應(yīng)力腐蝕問題，必須掌握其應(yīng)力腐蝕的特點，結(jié)合其生產(chǎn)工藝、使用環(huán)境等進(jìn)行深入分析，才能找到失效的真正原因，并采取相應(yīng)的措施，保證其安全使用。

發(fā)動機(jī)氣缸體在南海試驗時發(fā)生泄漏故障，共3 件氣缸體發(fā)生此類故障。氣缸體材料為1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼，為鍛坯機(jī)加成型。機(jī)加前進(jìn)行2 次550 ℃/2～3 h 的退火處理，機(jī)加后再進(jìn)行1 次550 ℃/2～3 h 的退火處理。本研究對氣缸體氣道表面形貌、裂紋形態(tài)及裂紋斷口進(jìn)行了宏微觀觀察、能譜成分分析，對氣缸體的金相組織及硬度進(jìn)行了檢查。在以上試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定了氣缸體的裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。針對開裂原因，提出了改進(jìn)措施。

1 試驗結(jié)果

1.1 宏觀檢查

氣缸體由氣道和水道組成，氣道為燃?xì)馔ǖ?，水道與外界環(huán)境連通，使用時海水進(jìn)入水道，從而對氣道起到冷卻作用。將氣缸體氣道沿軸向切開，切割面上可見較多裂紋(圖1)，裂紋從氣道表面起始，個別裂紋貫穿至水道表面(圖1 中箭頭所指)，將該裂紋人工打開，斷口形貌見圖2，斷面由裂紋區(qū)和人工打斷區(qū)組成，原始裂紋區(qū)呈紅棕色，為明顯的腐蝕特征，人工打斷區(qū)呈亮灰色。

圖1 裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of cracks

1.2 微觀觀察及能譜分析

1.2.1 氣缸體氣道表面

采用JSM-5600LV 型掃描電鏡對氣缸體氣道表面進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)均覆蓋較厚的一層腐蝕產(chǎn)物，局部可見腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物呈典型的“泥紋花樣”形貌(圖3)。

對氣道表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見表1，腐蝕產(chǎn)物含Cl、S、Na、K 等外來元素。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of fracture surface

圖3 氣道表面微觀形貌Fig.3 Micro appearance of surface of gas channel

1.2.2 氣缸體裂紋斷口

氣缸體裂紋斷口裂紋區(qū)內(nèi)側(cè)(靠近氣道)覆蓋較厚的一層腐蝕產(chǎn)物(圖4a)，由內(nèi)側(cè)至外側(cè)，腐蝕產(chǎn)物逐漸減少。斷面腐蝕較輕的區(qū)域均可見類解理斷裂特征，類解理面上可見滑移線(圖4b)。人工打斷區(qū)呈韌窩形貌(圖5)。

對斷口不同部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見表2?？梢姡蓴嗫趦?nèi)側(cè)至外側(cè)，Cl、S元素含量逐漸減少。

1.3 裂紋截面形貌及顯微組織觀察

在氣缸體上截取裂紋截面試樣，磨拋腐蝕后用OLYMPUS PME3 型金相顯微鏡進(jìn)行觀察。氣道表面可見腐蝕坑，裂紋分叉明顯，呈穿晶擴(kuò)展(圖6)。

表1 氣道表面的腐蝕產(chǎn)物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of corrosion products on surface of gas channel (mass fraction/%)

圖4 裂紋區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro appearance of crack zone

圖5 人工打斷區(qū)的韌窩形貌Fig.5 Dimples of artificial fracture surface

表2 斷口的腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Chemical composition of corrosion products of fracture surface (mass fraction/%)

氣缸體的顯微組織存在黑色條紋狀鐵素體(圖7)。具有兩相組織的金相試樣，采用復(fù)合試劑溶液浸蝕時，由于腐蝕作用強(qiáng)烈，以致鐵素體被腐蝕掉，而成一黑色凹坑，其掃描電鏡下的形貌如圖8 中箭頭所指。

圖6 裂紋截面形貌Fig.6 Sectional appearance of crack

圖7 氣缸體的顯微組織Fig.7 Microstructure of block

2 分析與討論

2.1 裂紋的性質(zhì)和形成原因

發(fā)動機(jī)氣缸體氣道表面均存在腐蝕凹坑，且覆蓋較厚的一層腐蝕產(chǎn)物;裂紋從氣道表面起始，向水道方向擴(kuò)展，裂紋末端呈明顯的分叉特征;由氣道至水道，裂紋面上的腐蝕產(chǎn)物逐漸減少，腐蝕性元素Cl、S 含量逐漸減少;裂紋主要呈穿晶擴(kuò)展，表現(xiàn)為類解理特征，奧氏體不銹鋼在Cl-介質(zhì)中主要是穿晶斷裂。由以上特征可知，兩氣缸體的裂紋性質(zhì)相同，均為應(yīng)力腐蝕開裂。

圖8 氣缸體金相組織的SEM 形貌Fig.8 SEM microstructure of block

零件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需具備3 個條件［4-5］:1)必須存在拉應(yīng)力。拉應(yīng)力愈大，則斷裂所需的時間愈短。斷裂所需應(yīng)力，一般都低于材料的屈服強(qiáng)度。2)材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性。3)存在特定的腐蝕介質(zhì)。只有某些金屬-介質(zhì)的組合，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。由于氣缸體在試驗過程中從氣道至水道存在一定的溫度梯度，試驗完畢在零件內(nèi)部必然存在一定的殘余應(yīng)力，具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的第一個條件。

金相檢查結(jié)果表明，氣缸體材料內(nèi)部存在較多的條狀鐵素體。在18-8 型奧氏體不銹鋼中出現(xiàn)鐵素體有其不利的一面，即因為鐵素體與奧氏體的電位不同，所以它的腐蝕傾向較大［6］。另外，從氣缸體的熱處理工藝來看，氣缸體在550 ℃進(jìn)行了3 次退火處理，該溫度處于1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的敏感溫度區(qū)間(500～800℃)，目前，對于航空用1Cr18Ni9Ti 零件，推薦采用的退火溫度為400～450 ℃;因此，氣缸體材料內(nèi)部存在較多的鐵素體以及在晶界腐蝕敏感溫度區(qū)間進(jìn)行退火處理，使得其具有較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕傾向，因而具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的第二個條件。對于奧氏體不銹鋼材料，在敏化溫度范圍熱處理后或長期在該溫度下服役，材料具有晶間腐蝕敏感性，但應(yīng)力腐蝕裂紋通常呈穿晶擴(kuò)展，斷口表現(xiàn)為類解理特征，這可能與存在應(yīng)力這一因素有關(guān)，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

不同金屬材料都有特定的應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)［7］，1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼對特定的活性介質(zhì)Cl-非常敏感。由能譜成分分析結(jié)果可知，氣缸體氣道表面的Cl 含量最高達(dá)到2.61%，因此，具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的第三個條件。發(fā)動機(jī)氣缸體裂紋之所以起源于氣道表面，其原因在于，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定以及在熄火后，海水均會進(jìn)入氣道，由于氣道表面溫度較高，當(dāng)海水蒸發(fā)后，Cl-在沉積在氣道表面，且難以清理掉，導(dǎo)致Cl-濃度高，而水道表面的Cl-濃度則很低;因此，氣缸體裂紋起源于氣道表面。

綜上所述，發(fā)動機(jī)氣缸體的裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。由于氣道表面殘留高濃度的Cl-以及材料具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，使得氣缸體在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2 改進(jìn)措施

要解決發(fā)動機(jī)氣缸體的應(yīng)力腐蝕問題，有以下3 點辦法:

1)在氣道、水道表面增加表面防護(hù)涂層，隔絕應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)Cl-與1Cr18Ni9Ti 的接觸。但考慮到結(jié)構(gòu)復(fù)雜因素，在孔內(nèi)制備涂層工藝很難實現(xiàn)，即使能夠?qū)崿F(xiàn)也很難保證涂層的防護(hù)質(zhì)量。

2)加強(qiáng)清洗。及時清洗氣缸體表面的Cl-，盡量減少Cl-的殘留。

3)建議對材質(zhì)狀態(tài)、腐蝕介質(zhì)對氣缸體應(yīng)力腐蝕的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究，必要時建議更換材料。這主要是因為，1Cr18Ni9Ti 屬奧氏體不銹鋼，工藝性好，性能穩(wěn)定，但該材料對Cl-離子存在下的應(yīng)力腐蝕非常敏感。在國外，1Cr18Ni9Ti 的產(chǎn)量很低，已由00Cr18Ni10 及0Cr18Ni10 所代替。國內(nèi)的航空材料體系已將1Cr18Ni9Ti 列為限用材料。俄羅斯同類發(fā)動機(jī)氣缸體采用1Cr18Ni9Ti 這種材料，這是由于俄羅斯的環(huán)境溫度低，海水中的Cl-濃度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)的南海環(huán)境。因此，在俄羅斯國內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕的概率相對低得多。而且，該氣缸體在中國北方試驗時氣缸體未出現(xiàn)過應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象也說明了這一點。另外，俄羅斯通過熱處理調(diào)整，使1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)值降低了100 MPa 左右，以降低應(yīng)力腐蝕敏感性。在某型飛機(jī)研制時，國外飛機(jī)上的許多材料被替代，其中最主要的是對南海環(huán)境敏感的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和鋁合金，由此說明設(shè)計選材時需充分考慮材料的環(huán)境適應(yīng)性問題［8］。若更換材料，建議采用高溫合金制造發(fā)動機(jī)氣缸體，高溫合金的強(qiáng)度及耐溫性能均高于1Cr18Ni9Ti，且具有良好的耐蝕性，故只需在選材時考慮機(jī)加性能和焊接性能即可。若不更換材料，建議盡量減少鐵素體的含量，并將退火溫度改為400～450 ℃，以降低材料強(qiáng)度提高材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。

3 結(jié)論

1)氣缸體的裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。

2)由于氣道表面殘留高濃度的Cl-以及材料具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，使得氣缸體在殘余應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

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