姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體腐蝕機(jī)理分析

周緒緒 劉寶峰 雷歡平 戚小薇 劉 靜

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姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體腐蝕機(jī)理分析

周緒緒 劉寶峰 雷歡平 戚小薇 劉 靜

(西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065)

采用宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、金相組織觀察、掃描電子顯微鏡等方法對(duì)秦嶺山區(qū)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體腐蝕進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體的腐蝕是由于電化學(xué)腐蝕造成的，并且與秦嶺山區(qū)特殊的外界環(huán)境有關(guān)，提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

內(nèi)艙殼體；2A12 鋁合金；電化學(xué)腐蝕、點(diǎn)蝕

1 引言

鋁合金具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、電導(dǎo)與熱導(dǎo)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、電子、交通等領(lǐng)域[1]。

2A12鋁合金主要合金元素為銅與鎂，耐蝕性差，若要置于容易腐蝕的場(chǎng)合，須另外做防護(hù)處理[2，3]。本批2A12鋁合金鍛件采用牛皮紙包裝，存放時(shí)間1年左右，牛皮紙表面潮濕嚴(yán)重，部分產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，經(jīng)低倍檢測(cè)，其中6件鍛件表面存在大面積缺陷。此鍛件加工的零件為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，類似事件從未發(fā)生過(guò),故對(duì)此故障進(jìn)行分析研究，以避免此類故障的再次發(fā)生有重要的意義。

本文對(duì)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體腐蝕的鋁合金進(jìn)行了宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、金相組織、掃描電鏡分析。分析了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體在秦嶺山區(qū)腐蝕的機(jī)理及改進(jìn)措施。

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用機(jī)械方法，沿截面將缺陷最嚴(yán)重的部位切割，進(jìn)行宏觀檢測(cè)。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T3246.2—2012進(jìn)行低倍組織檢查；按照GB/T3190—2008進(jìn)行化學(xué)成分檢查；按照GB/T3246.1—2012進(jìn)行高倍顯微組織檢查，在掃描電鏡下觀察缺陷斷面,并對(duì)缺陷最嚴(yán)重的部位進(jìn)行能譜分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀形貌

姿控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)艙殼體材料為2A12，合金狀態(tài)代號(hào)為T4，內(nèi)艙殼體采用牛皮紙簡(jiǎn)易包裝，但內(nèi)艙殼體有大面積腐蝕，缺陷存在于內(nèi)外表面，最深處約為1.54mm，截取部分缺陷進(jìn)行檢測(cè)，如圖1a、1b所示。

a 內(nèi)表面

b 外表面

圖1 內(nèi)外表面宏觀形貌

3.2 低倍組織分析

依據(jù)GB/T3246.2—2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法》第2部分低倍組織檢驗(yàn)方法對(duì)內(nèi)艙進(jìn)行低倍檢測(cè)，內(nèi)艙殼體內(nèi)外表面低倍腐蝕照片為侵蝕后（侵蝕劑為氫氧化鈉溶液）得到的低倍腐蝕照片，可見(jiàn)清晰晶粒存在，且內(nèi)艙外表面及內(nèi)側(cè)面存在大面積缺陷，如圖2a、2b所示。

a 內(nèi)表面

b 外表面

圖2 內(nèi)外表面低倍形貌

3.3 化學(xué)成分分析

從內(nèi)艙殼體取樣，采用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行成分分析，依據(jù)GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)艙殼體2A12鋁合金化學(xué)成分元素

3.4 金相分析

按照GB/T3246.1—2012對(duì)內(nèi)艙殼體內(nèi)外表面進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)，均無(wú)過(guò)燒，如圖3a、3b所示。

a 內(nèi)表面

b 外表面

圖3 內(nèi)外表面顯微組織

3.5 掃描電鏡分析

采用電子掃描顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行觀察和能譜分析，可見(jiàn)表面缺陷有白色、綠色及黃色覆蓋物，成泥塊狀；分析缺陷微觀形貌，存在腐蝕坑點(diǎn)。結(jié)合圖4、表2顯示Cu、S、Cl含量較高；圖5、表3顯示Al、Cu含量相對(duì)含量高，含有少量的Cl；圖6、表4顯示O、Cl含量較高；Cu含量低；從元素含量來(lái)看缺陷處存在O、S、Cl等腐蝕元素。分析不同顏色的覆蓋物成分，白色主要為O元素，綠色處Cu含量較高，黃色處有部分S元素，可以判定為環(huán)境或其他物質(zhì)造成的腐蝕。

圖4 外表面

圖5 內(nèi)表面

圖6 外表面

表2 外表面測(cè)定部位的檢測(cè)結(jié)果

表3 內(nèi)表面測(cè)定部位的檢測(cè)結(jié)果

表4 外表面測(cè)定部位的檢測(cè)結(jié)果

4 分析與討論

4.1 環(huán)境的影響

秦嶺山區(qū)氣候潮濕并且存在酸性介質(zhì)如硫氧化物SO2，另外2A12鋁合金在潮濕環(huán)境中表面容易發(fā)生氧化，表面形成的Al2O3膜被破壞，電化學(xué)反應(yīng)腐蝕機(jī)制可能為[4]：

陽(yáng)極反應(yīng)：Al→3e→Al3+

陰極反應(yīng)為：O2+4H++4e→2H2O（在酸性介質(zhì)）

SO2(g)→SO2(aq)

SO2(aq)+H2O→HSO3－(aq)+H+(aq)

HSO3→H++SO32－

HSO3－+［O］→HSO4－

Cl－是發(fā)生點(diǎn)蝕的主要原因，秦嶺山區(qū)潮濕的空氣中含有大量的Cl－，Cl－會(huì)加劇2A12鋁合金腐蝕。Al3+則與Cl－相遇，生成灰白色腐蝕產(chǎn)物AlCl3，電化學(xué)反應(yīng)腐蝕機(jī)制可能為[5]：

Al(OH)3+Cl→Al(OH)2Cl+OH－，

Al(OH)2Cl+Cl→Al(OH)Cl2+OH－，

Al(OH)Cl2+Cl→AlCl3+OH－

結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中含有的元素基本相同，主要含有Al、O、Cl等，其腐蝕產(chǎn)物應(yīng)主要為Al(OH)3、Al2O3和AlCl3。

4.2 材料合金成分的影響

2A12合金為Al-Mg-Cu系合金，含銅量較高，晶界貧銅區(qū)容易與富銅相CuAl2結(jié)合成腐蝕電池,發(fā)生腐蝕，從內(nèi)艙殼體的宏觀腐蝕形貌看，內(nèi)艙殼體的腐蝕具有明顯的點(diǎn)狀腐蝕形貌，如圖1所示。

4.3 表面保護(hù)膜的影響

鋁在大氣中會(huì)生成自然保護(hù)膜，此保護(hù)膜具有保護(hù)母材抵抗腐蝕的能力，但在特殊條件下，如潮濕、堿性或稀酸溶液中，便會(huì)發(fā)生內(nèi)艙基體與外界環(huán)境接觸發(fā)生腐蝕。秦嶺山區(qū)為潮濕氣候，空氣中二氧化硫等污染物使電解質(zhì)具有了弱酸性，從而導(dǎo)致了腐蝕的發(fā)生。內(nèi)艙殼體在腐蝕介質(zhì)中容易形成腐蝕微電池，工業(yè)污染物、如硫氧化物和氮氧化物，主要為SO2，導(dǎo)致試樣表面形成的A12O3膜被破壞。

綜上所述，內(nèi)艙殼體化學(xué)成分符合技術(shù)要求，顯微組織檢查未發(fā)現(xiàn)異常，通過(guò)電子掃描顯微鏡分析，缺陷處存在O、S、Cl等腐蝕元素。分析不同顏色的覆蓋物成分，白色主要為O元素，綠色處Cu含量較高，黃色處有部分S元素，可以判定為環(huán)境或其他物質(zhì)造成的腐蝕。然而點(diǎn)蝕發(fā)生在鋁合金腐蝕的開(kāi)始，現(xiàn)象為針狀小孔，點(diǎn)狀，孔狀的局部腐蝕形態(tài)，當(dāng)腐蝕發(fā)展到一定程度后沿晶界腐蝕為晶間腐蝕，碎裂，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)展成為剝落腐蝕，剝落腐蝕是危害最大的腐蝕，現(xiàn)象為產(chǎn)生小碎片、碎末大塊的金屬片脫離金屬體，并有粉末狀產(chǎn)物[6]。以上現(xiàn)象表明，該缺陷處于腐蝕初始階段，屬于點(diǎn)狀腐蝕，還未達(dá)到晶間腐蝕和剝蝕的階段。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.內(nèi)艙殼體內(nèi)外表面缺陷屬于點(diǎn)狀腐蝕，是由于電化學(xué)腐蝕造成的。

b. 在潮濕環(huán)境下不能用牛皮紙包裝,建議采用木制包裝并保持干燥。

1 任頌贊，葉劍，陳德華. 金相分析原理及技術(shù)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2013，755

2 輔機(jī)零件失效及缺陷分析編寫組. 輔機(jī)零件失效及缺陷分析[M]. 北京：《航空與航天》編輯部

3 梁志明，丘侃，陸耀洪. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1992

4 周和榮，馬堅(jiān)，陸啟凱，等. 典型鋁合金在江津自然大氣環(huán)境中的腐蝕行為研究[C]. 第五屆中美環(huán)境材料環(huán)境腐蝕與老化試驗(yàn)學(xué)術(shù)討論會(huì)2008，44～45

5 李濤，李曉剛，董超芳，等. Cl-含量對(duì)2A12鋁合金初期腐蝕行為的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(12)：1576～1582

6 程宗輝，王逾涯，崔常京，等. 飛機(jī)2A12鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷行為研究[C]. 航空航天表面處理新技術(shù)研討會(huì)論文集. 2009，158～163

7 朱祖芳. 有色金屬耐腐蝕性及其應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995，18

Analysis of Corrosion Mechanism of Cabin in Attitude Control Engine

Zhou Xuxu Liu Baofeng Lei Huanping Qi Xiaowei Liu Jing

(Xi'an Changfeng Electromechanical Research Institute, Xi'an 710065)

By means of macroscopic observation, chemical composition analysis, microstructure observation and scanning electron microscopy, the corrosion causes of the inner chamber of the attitude control engine in Qinling Mountains mountain area were analyzed. The results show that the corrosion of the inner chamber of the engine is caused by electrochemical corrosion, and is related to the special environment of Qinling Mountains mountain area.

inner shell；2A12 aluminum alloy；electrochemical corrosion

周緒緒（1984-），工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：理化分析。

2017-01-16