1Cr11Ni2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片彩虹斑點(diǎn)故障分析

唐恩軍 晁國(guó)濤 王軼

摘要：通過(guò)對(duì)lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片清洗后發(fā)生表面彩虹斑點(diǎn)故障的形貌、化學(xué)成分及其分布的研究，確定了鋼制壓氣機(jī)葉片彩虹斑點(diǎn)故障原因，并針對(duì)性地制定了預(yù)防措施

關(guān)鍵詞：不銹鋼;葉片;腐蝕;故障分析

1 故障基本情況

某工廠在對(duì)lCrllN12W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片進(jìn)行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后，發(fā)現(xiàn)部分葉片表面出現(xiàn)帶彩虹膜的“斑點(diǎn)”，典型故障見(jiàn)圖1。彩虹斑點(diǎn)故障在葉片葉盆、葉背及榫頭位置均有分布，彩虹斑點(diǎn)具有由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍(lán)色和褐色的高溫變色特征，故障點(diǎn)位置中心均存在微坑現(xiàn)象。

2 故障模擬

根據(jù)零件修理流程，針對(duì)可能發(fā)生的異常情況進(jìn)行討論，得出以下兩類(lèi)可能原因：一是燒傷，可能造成燒傷的原因?yàn)樵O(shè)備漏電燒傷和外來(lái)飛濺物燒傷;二是腐蝕，可能造成腐蝕的原因?yàn)槌暡ㄈ芤焊g葉片、殘余滲鋁層在清洗液中被腐蝕、除滲鋁層后的酸洗過(guò)程發(fā)生腐蝕、熱水清洗過(guò)程中發(fā)生點(diǎn)蝕。

2.1 燒傷模擬試驗(yàn)

采用電火花燒傷的方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，電燒傷模擬件故障點(diǎn)由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍(lán)色和褐色的高溫變色特征，見(jiàn)圖2。

2.2 腐蝕模擬試驗(yàn)

1）加熱自來(lái)水浸泡試驗(yàn)

選用6件報(bào)廢葉片去除滲鋁層后在82℃的自來(lái)水中浸泡30min，有1件出現(xiàn)與故障件類(lèi)似的現(xiàn)象，外觀形貌如圖3所示。

2）加熱純水浸泡試驗(yàn)

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進(jìn)行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃的超純水中浸泡12 0min以上，浸泡過(guò)程中自然冷卻，觀察試樣表面，均未發(fā)生變色。

3）含氯離子的熱水浸泡試驗(yàn)

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，放置于超純水中，加入0.5 g/L氯離子，加熱至85℃浸泡50min后，觀察到試樣表面均發(fā)生輕微變色，體式鏡觀察發(fā)現(xiàn)變色中心存在輕微腐蝕，見(jiàn)圖4。

以lCrllNi2W2MoV制作試樣，進(jìn)行滲鋁和除滲鋁層后，置于85℃含0.5 g/L氯離子的水中浸泡50min后，觀察試樣表面均發(fā)生變色，且中心位置存在腐蝕跡象，見(jiàn)圖5。

在自來(lái)水中加入lg/L氯離子，選用6件報(bào)廢葉片去除滲鋁層后在75℃下浸泡30min，6件葉片中有1件出現(xiàn)了與故障件外觀形貌完全相同的現(xiàn)象。將加入lg/L氯離子的自來(lái)水溫度升到85℃，將其余5件葉片放入水中繼續(xù)浸泡，5min后開(kāi)始出現(xiàn)大量肉眼可見(jiàn)的腐蝕點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加腐蝕點(diǎn)逐步增多、增大，30min后5件葉片全部出現(xiàn)了與故障件外觀形貌完全相同的現(xiàn)象。故障點(diǎn)由內(nèi)向外呈褐色、黃色、藍(lán)色和褐色的高溫變色特征，變色位置中心均存在微坑現(xiàn)象，見(jiàn)圖6、圖7、圖8。

以lCrllNi2W2MoV（與葉片基體相同牌號(hào)）制作新試樣，置于85℃以上的自來(lái)水中，水中加入lg/L氯離子，浸泡50mm，觀察試樣表面均發(fā)生了嚴(yán)重變色，體式鏡觀察變色中心位置存在腐蝕坑，如圖9、圖10所示。

3 試驗(yàn)分析

3.1 微觀形貌分析

1）故障件微觀形貌

在電鏡下觀察，故障點(diǎn)中心存在微坑，微坑尺寸約0.1～0.16mm，微坑表面未見(jiàn)明顯的附著物，微坑周?chē)忻黠@堆積物，見(jiàn)圖11。

2）燒傷模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對(duì)燒傷模擬件故障點(diǎn)進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖12。

從圖12可以看出，燒傷模擬件坑口呈圓形，坑底平坦，坑底和坑口有重熔層。這主要是因燒傷坑材料局部受熱超過(guò)金屬熔點(diǎn)、局部金屬熔融形成的，因此在燒傷點(diǎn)不可避免地存在重熔層。同時(shí)由于金屬材料在受熱時(shí)在各方向上熱擴(kuò)散速度基本相同，因此坑口形狀規(guī)則、坑底平坦。

3）腐蝕模擬件微觀形貌

采用掃描電鏡對(duì)腐蝕模擬件故障點(diǎn)進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖13。

從圖13可以看出，腐蝕模擬件故障點(diǎn)坑口形狀不規(guī)則、坑底凹凸不平，腐蝕坑周?chē)懈g產(chǎn)物附著。

3.2 化學(xué)成分分析

1）故障件故障點(diǎn)化學(xué)成分分析

通過(guò)對(duì)微坑坑底、坑口、坑外側(cè)、坑外側(cè)遠(yuǎn)端彩虹膜以及正常區(qū)域等位置進(jìn)行X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)，與零件基體材料相比，故障點(diǎn)的S、0元素含量顯著升高，在從坑底向坑外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素含量隨距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高。

坑底化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。與基體材料相比，故障點(diǎn)新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，F(xiàn)e元素含量大幅下降。

坑口化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。與基體材料相比，坑口新增加了S元素，Cr元素含量顯著升高，F(xiàn)e元素含量大幅下降。與坑底相比，Cr元素含量下降，F(xiàn)e元素含量升高。

坑外側(cè)化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。與基體材料相比，坑外側(cè)新增加了S元素，Cr元素和Fe元素含量無(wú)明顯變化。

從坑底至外側(cè)的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)圖14、圖15。從圖中可以看出，從坑底至外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素的含量隨著距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高，直至各元素含量與基體金屬相同。

2）腐蝕模擬件故障點(diǎn)化學(xué)成分分析

采用X射線能譜儀對(duì)加熱自來(lái)水腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進(jìn)行掃描分析，其結(jié)果見(jiàn)表4。

采用X射線能譜儀對(duì)加入氯離子的腐蝕模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進(jìn)行掃描分析，其結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

從表4、表5、表6可以看出，與基體材料相比，腐蝕模擬件故障點(diǎn)新增加了S元素，0元素含量顯著升高，同時(shí)在從坑底向坑外側(cè)的方向上，Cr、S、0元素含量隨著距離的增加逐步下降，F(xiàn)e元素含量隨著距離的增加逐步升高。這主要是因?yàn)榻饘俨牧蟣CrllNi2W2MoV為馬氏體不銹鋼，在Cl作用下發(fā)生點(diǎn)蝕[1]。在腐蝕過(guò)程中，由于Cr元素的化學(xué)穩(wěn)定性比Fe元素高，F(xiàn)e元素優(yōu)先溶解為Fe2+，因此腐蝕中心與基體金屬相比，F(xiàn)e元素含量顯著降低，0元素含量顯著升高，在此共同作用下導(dǎo)致Cr元素含量顯著升高。在形成穩(wěn)定蝕孔初期，F(xiàn) e2+不斷從點(diǎn)蝕中心向四周擴(kuò)散，在水溶中生成Fe（OH）2、Fe（OH）3，進(jìn)一步脫水生成Fe203、Fe304，根據(jù)與點(diǎn)蝕中心距離的不同，生成Fe203、Fe304的比例也不同，因此在蝕點(diǎn)周?chē)纬刹屎缒2]，隨著距離的增加Fe元素參加反應(yīng)的程度降低[3]，F(xiàn)e元素含量隨之升高，0元素含量隨之下降，在其作用下Cr元素含量亦下降。

3）燒傷模擬件故障點(diǎn)化學(xué)成分分析

采用X射線能譜儀對(duì)燒傷模擬件坑底、坑口和坑外側(cè)進(jìn)行掃描分析，其結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

從表7、表8可以看出，與基體材料相比，燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高，Cr元素含量略有升高，F(xiàn)e元素含量略有降低，從坑底向坑外側(cè)的方向上各元素含量基本沒(méi)有變化。這主要是因?yàn)榱慵齻^(guò)程中，在高溫作用下，Cr、Fe元素氧化形成金屬氧化物，進(jìn)而導(dǎo)致燒傷模擬件故障點(diǎn)0元素含量明顯升高，燒傷的中心點(diǎn)溫度高使得氧化反應(yīng)程度也高，因此燒傷模擬件坑底0元素含量明顯升高;由于Cr元素在空氣中的穩(wěn)定性比Fe元素高，因此燒傷點(diǎn)Fe元素參與氧化反應(yīng)的程度更高，因此導(dǎo)致燒傷模擬件坑底Fe元素含量下降，在0元素含量增加以及Fe元素含量下降的共同作用下，導(dǎo)致Cr元素含量升高。在燒傷點(diǎn)外側(cè)，隨著距離的增加，溫度逐漸降低，因此基體金屬氧化反應(yīng)的程度越來(lái)越低[4]，金屬元素含量與基體金屬相比沒(méi)有明顯變化，0元素含量逐步下降。

4 結(jié)論

lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片在進(jìn)行除滲鋁層、超聲波和熱水清洗后發(fā)生的彩虹膜“斑點(diǎn)”故障，其宏觀形貌、微觀形貌以及化學(xué)成分分布與腐蝕模擬件故障點(diǎn)特征高度吻合，由此判定本次葉片故障為葉片在熱水清洗過(guò)程中發(fā)生的點(diǎn)蝕。

1）引發(fā)lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片點(diǎn)蝕的主要誘因?yàn)镃I和溫度，葉片在較高溫度的純水中不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。隨著水中Cl含量的上升，腐蝕傾向增加;在含有Cl的熱水中，隨著溫度的升高腐蝕傾向及腐蝕速度明顯增加。模擬試驗(yàn)證明，當(dāng)水中Cl含量達(dá)到lg/L且溫度達(dá)到85℃以上時(shí)，點(diǎn)蝕故障重現(xiàn)概率基本達(dá)到100%。

2）在日常工作中應(yīng)重視自來(lái)水中Cl含量的穩(wěn)定性。當(dāng)自來(lái)水中Cl-含量達(dá)到點(diǎn)蝕I臨界點(diǎn)并在滿足適當(dāng)溫度的條件下即可引發(fā)lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片點(diǎn)蝕。

3） lCrllNi2W2MoV鋼制壓氣機(jī)葉片在無(wú)保護(hù)層的情況下應(yīng)避免在較高溫度的自來(lái)水中長(zhǎng)時(shí)間浸泡。

參考文獻(xiàn)

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