鹽霧環(huán)境下部段對接緊固件耐腐蝕性研究

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(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.首都航天機械公司，北京 100076;4.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

在海洋鹽霧大氣環(huán)境中,結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣環(huán)境中，可能會遭遇高溫、高濕及雨淋等環(huán)境條件。高強度連接結(jié)構(gòu)或者承載結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險。以往工程研制中主要關(guān)注電氣設(shè)備的防水防潮[1-3]，由于環(huán)境特點，有必要針對高強度承載結(jié)構(gòu)處緊固件開展結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)有效性驗證試驗。本文主要針對部段對接用緊固件的腐蝕試驗情況進(jìn)行分析，腐蝕試驗分為浸泡試驗和暴露試驗兩部分，以驗證在不同防水措施下的不同材料/表面處理的緊固件耐腐蝕性能。

1 試驗件狀態(tài)

試驗件按不同類別狀態(tài)(各類材料/各類螺紋直徑/各類表面處理/各類熱處理/有無醇酸清漆)排列組合進(jìn)行腐蝕試驗，試驗件裝配狀態(tài)見圖1，試驗件各類別細(xì)分狀態(tài)梳理如下：

1)螺栓狀態(tài)：

①材料：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、Ti-6Al-4V、GH4169、30CrMnSiNi2A這4類螺栓/螺母開展。其中30CrMnSiA為車制工藝螺栓材料，ML30CrMnSiA為鐓制工藝螺栓材料。

②螺紋直徑：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)分為M8緊固件、M10緊固件，30CrMnSiNi2A分為M10緊固件、M24緊固件，其余材料均為M10緊固件。

③表面處理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)的M8螺栓采用鍍鋅并鉻酸鈍化，M10螺栓采用鍍鎘并鉻酸鈍化或 flZnAl12鋅鋁達(dá)克羅；Ti-6Al-4V表面處理包括“涂MoS2+十六醇”、“噴涂鋁+十六醇”、“離子鍍鋁+十六醇”。GH4169采用化學(xué)鈍化，30CrMnSiNi2A采用鋅鉻涂層或flZnAl12達(dá)克羅。

④熱處理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)為σb=1200±100Mpa或HRC：32～38。Ti-6Al-4V為σb≥1100Mpa。GH4169為1300≤σb≤1300Mpa，30CrMnSiNi2A為HRC(洛氏硬度)：42～47。

2)螺母狀態(tài)：采用直徑及材料相同的標(biāo)準(zhǔn)件。

3)防水密封墊：螺栓、螺母和夾持件間放置防水墊圈，材料為鋁合金材料，該材料具有較高的可塑性、耐蝕性、導(dǎo)電性，適合作為密封墊圈。需要說明的是，所有試驗件狀態(tài)均施加了防水密封圈作為基本的防水措施。

4)夾持件：模擬端框采用鋁制材料，并增加表面陽極化。

5)防水涂層：醇酸清漆(未加稀料，采用100%醇酸清漆，顏色略顯淡黃色)，螺栓、螺母的表面安裝前刷涂醇酸清漆，刷涂后靜置24小時后進(jìn)行裝配。形成組合體且施加力矩后，組合體整體再次刷涂醇酸清漆。

6)緊固件力矩：為提高試驗的載荷覆蓋性，試驗件安裝力矩略大于實際施加力矩，具體為：M8螺栓力矩為20N·m，M10螺栓力矩為35N·m，M24螺栓力矩為230N·m。

2 腐蝕試驗條件

2.1 試驗條件

腐蝕試驗包括真實環(huán)境浸泡試驗和發(fā)射場真實環(huán)境暴露試驗。其中浸泡試驗又包括真實雨水和真實冷凝水兩種狀態(tài)，暴露試驗分為冬季和夏季真實環(huán)境暴露試驗。其中冷凝水狀態(tài)為考慮推進(jìn)劑加注后，物體表面溫度低于環(huán)境露點溫度時，物體外壁將出現(xiàn)的結(jié)露現(xiàn)象。

2.1.1 真實環(huán)境浸泡試驗條件

1)浸泡溶劑為發(fā)射場實際環(huán)境條件下的雨水/冷凝水；

2)試驗時保持恒溫35±3℃；

3)試驗件要求完全浸泡在溶劑中；

4)浸泡時間分為5個節(jié)點；

5)每天更換雨水/冷凝水溶劑。

2.1.2 真實環(huán)境暴露試驗條件

1)暴露時間段分為冬季和夏季試驗；

2)試驗件直接放置在發(fā)射場最真實的平臺位置處；

3)試驗件直接暴露在真實的大氣環(huán)境中；

4)暴露時間分為3個節(jié)點。

圖1 雨水浸泡橫載試驗示意圖Fig.1 Schematic figure of soaking-in-rain test

2.2 試驗水樣成分

試驗水樣共分3批采集，冷凝水、雨水水樣試驗前后分析結(jié)果可歸納為：氯離子、硫酸根離子，它們是溶劑中起主要腐蝕作用的離子。氯離子、硫酸根離子濃度與溶劑pH沒有正相關(guān)性。試驗前后pH值沒有明顯變化，氯離子和硫酸根離子的濃度有變化，沒有明顯規(guī)律，但沒有出現(xiàn)數(shù)量級的差異。以某批試驗雨水?dāng)?shù)據(jù)為例，分析結(jié)果如表1所示。

表1 水樣成分分析結(jié)果Tab.1 Analysis result of rain constituents

2.3 緊固件拉斷力測試

以M10緊固件為例，螺栓、螺母成組拉斷，測試力-位移曲線，拉斷力測試采用10t拉力機，拉斷試驗件工裝見圖2。

圖2 M10緊固件拉斷試驗件工裝Fig.2 M10 fasteners stretching test craft equipment

3 腐蝕試驗結(jié)果

以M10的30CrMnSiA浸泡試驗為例，試驗實物照片見圖3。拉斷力測試結(jié)果見圖4，并以試驗前試驗件拉斷力的±8%作為區(qū)間。不同浸泡時段的試驗件均大于標(biāo)準(zhǔn)拉斷力(63.8kN)，且在±8%的分析區(qū)間之內(nèi)。

(a)無表處，無醇酸清漆

(b)鍍鎘并鉻酸鈍化，無無醇酸清漆

(c)鍍鎘并鉻酸鈍化，并涂無醇酸清漆圖3 30CrMnSiA M10緊固件浸泡試驗后Fig.3 30CrMnSiA M10 after fasteners soaking test

圖4 30CrMnSiA浸泡試驗前后拉斷力對比Fig.4 30CrMnSiA fasteners stretching loads before and after soaking test

在試驗過程中曾發(fā)生由于試驗工裝剛度不足，而造成M10鈦合金Ti-6Al-4V緊固件拉斷力偏低的異?，F(xiàn)象，具體分析見第4節(jié)。工裝更換后，試驗數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

通過開展高強結(jié)構(gòu)緊固件腐蝕試驗，獲取了30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、GH4169、30CrMnSi-Ni2A和Ti-6Al-4V材料的高強結(jié)構(gòu)緊固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d的試驗數(shù)據(jù)，驗證了不同表面處理措施的抗腐蝕效果，驗證了防護(hù)膠對產(chǎn)品的保護(hù)效果(所有試驗件均施加了鋁制密封圈作為基本防水措施)。

1)不同表面處理狀態(tài)的30CrMnSiA(ML30Cr-MnSiA)、GH4169、30CrMnSiNi2A和Ti-6Al-4V材料的高強結(jié)構(gòu)定力矩緊固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d后拉斷力結(jié)果均符合許用標(biāo)準(zhǔn)，且試驗前后的拉斷力對比無明顯變化。鋁制密封圈可以有效阻隔鹽霧、雨水、冷凝水對螺栓/螺母承力結(jié)構(gòu)的影響。

2) 30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMn-SiN2A材料本體在雨水環(huán)境和大氣環(huán)境下的腐蝕傾向性明顯，鍍鋅/鍍鎘并鉻酸鈍化和flZnAl12(鋅鋁達(dá)克羅)表面處理可在一定程度上提升緊固件耐蝕性，但仍不能避免點蝕發(fā)生，表面涂醇酸清漆處理可以很好地保護(hù)緊固件本體。

3) GH4169和Ti-6Al-4V材料本體在海南雨水環(huán)境和海南大氣環(huán)境下具有較強的耐蝕性。

4 鈦合金拉斷力異常情況分析

腐蝕試驗中曾發(fā)生兩種暴露試驗后鈦合金螺釘拉斷力偏低的現(xiàn)象，數(shù)值為49.2kN, 51.3kN≤71.65kN(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值)，拉斷曲線見圖5。該現(xiàn)象在工裝更換為強度、剛度較好的工裝后，鈦合金拉斷力恢復(fù)正常。

30CrMnSiA相對鈦合金Ti-6Al-4V從拉斷曲線分析，存在明顯的塑性變形區(qū)域，在舊工裝存在局部附加彎矩的情況下，能夠通過變形協(xié)調(diào)更好地緩解應(yīng)力集中現(xiàn)場。同時，通過有限元分析，在同為舊工裝狀態(tài)下，30CrMnSiA螺栓相對鈦合金Ti-6Al-4V螺栓，截面附加彎矩極值更小(為鈦合金的0.85倍)，應(yīng)變明顯更大，且更加均勻(最大應(yīng)變?yōu)殁伜辖鸬?倍)，應(yīng)力超過1000Mpa的區(qū)域更小，如圖6、圖7所示。新舊工裝具體參數(shù)見表2。

表2 工裝及緊固件材料性能參數(shù)Tab.2 The material parameters of fasteners and craft equipment

(a)兩件30CrMnSiA拉力-位移曲線(拉斷力均值71kN)

(a)螺栓應(yīng)力圖

(b) 螺栓應(yīng)變圖

(a)螺栓應(yīng)力圖

(b) 螺栓應(yīng)變圖

該現(xiàn)象結(jié)合其他試驗進(jìn)行分析，100個M10鈦合金Ti-6Al-4V整體對接端框彎矩試驗和局部端框30CrMnSiA單釘軸拉試驗加載示意見圖8。在100個鈦合金Ti-6Al-4V整體端框彎矩試驗中，以及在局部端框30CrMnSiA單釘軸拉試驗中，螺釘拉斷時刻對應(yīng)的端框軸拉力比例，均在1.35附近，也印證了鈦合金Ti-6Al-4V相對30CrMnSiA對局部彎矩更加敏感的特性。

(a)整體端框彎矩試驗(Ti-6Al-4V)

(b)局部端框軸拉試驗(30CrMnSiA)圖8 端框載荷試驗Fig.8 Frame structure load test

5 結(jié)論

通過真實環(huán)境浸泡試驗和暴露試驗表明：30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMnSiN2A材料本體在鹽霧環(huán)境下的腐蝕傾向性明顯，GH4169和Ti-6Al-4V材料本體在鹽霧環(huán)境下有較強的耐蝕性；螺栓/螺母承力結(jié)構(gòu)中施加鋁 1035-O密封圈的試驗狀態(tài)下，4類螺栓在腐蝕試驗后承載力均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，驗證了總裝防水措施的有效性，涂覆醇酸清漆可以進(jìn)一步避免表面點蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。由于工裝剛度較差且存在局部附加彎矩，試驗中出現(xiàn)了鈦合金Ti-6Al-4V拉斷力偏低現(xiàn)象，對比相同工裝下理論軸拉力相近的30CrMnSiA螺栓的試驗結(jié)果，得出了鈦合金Ti-6Al-4V由于材料無明顯屈服延伸段，即材料強度高但缺乏韌性，對局部附加彎矩更加敏感的結(jié)論。