35Cr2Ni4MoA材料防腐蝕性能驗(yàn)證研究

趙連紅，張紅飛，劉成臣，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

35Cr2Ni4MoA作為一種超高強(qiáng)度中碳鋼在航空工業(yè)制造使用中有重要作用[1]。材料中含有Ni，Cr，Mo合金元素，使鋼的過冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，淬透性很好[2-3]。35Cr2Ni4MoA材料表面處理經(jīng)常采用鍍硬鉻工藝，主要用于制造截面較大的承受疲勞載荷的關(guān)鍵件，如重要軸類、對接接頭、螺栓及飛機(jī)起落架等[4-5]。飛機(jī)長期在沿海區(qū)域服役和使用，高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷海洋環(huán)境對飛機(jī)結(jié)構(gòu)，特別是承受高載荷高應(yīng)力水平的起落架結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕損傷，嚴(yán)重影響飛機(jī)安全性和可靠性[6-10]。35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻在海洋環(huán)境中耐腐蝕性能較差，同時(shí)針對35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻應(yīng)用范圍廣、工藝穩(wěn)定成熟，且在短時(shí)間內(nèi)沒有穩(wěn)定成熟的新表面處理工藝替代的條件下，工程技術(shù)人員想借鑒表面處理封孔技術(shù)有效提高耐腐蝕性能的方法[11]，通過在鍍硬鉻工藝基礎(chǔ)上采取封孔防護(hù)的手段來提高 35Cr2Ni4MoA材料表面的耐蝕性。文中主要研究35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻有無封孔防護(hù)狀態(tài)下的耐蝕性能差異，驗(yàn)證35Cr2Ni4MoA材料封孔防護(hù)的有效性，為其在海洋環(huán)境下應(yīng)用的防腐蝕方案提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)

1.1 試樣

試驗(yàn)件由航空工業(yè)哈飛提供，材料為35Cr2Ni4MoA，形狀為圓筒狀，試驗(yàn)件分別采用鍍硬鉻和鍍硬鉻+封孔防護(hù)兩種表面防護(hù)，每類試驗(yàn)件數(shù)量為2件，其長度為270 mm，內(nèi)徑為55 mm，外徑為65mm，試驗(yàn)件表面處理見表1。鍍硬鉻試驗(yàn)件按照除油、清洗、電鍍硬鉻、除氫的工藝流程進(jìn)行電鍍，溫度為50～60 ℃，電流密度為40～60 A/dm2，電鍍硬鉻厚度為40～60 μm。鍍硬鉻+封孔防護(hù)的試驗(yàn)件在硬鉻鍍試驗(yàn)件的基礎(chǔ)上按照除油、加熱、刷涂518封孔劑（封孔劑主要含有碳、氮、氫等元素，較好滲透性，刷涂中利用溫差氣體收縮效應(yīng)和毛細(xì)現(xiàn)象可有效封閉硬鉻鍍層的微裂紋和孔隙），室溫固化6 h，120 ℃加溫固化3 h的工藝流程，清除試驗(yàn)件表面封孔劑，通過貼濾紙法檢查試驗(yàn)件表面無孔隙，確保封孔處理質(zhì)量。試驗(yàn)中檢測試驗(yàn)件腐蝕坑深度的設(shè)備為KH-7700三位體式顯微鏡，其放大倍數(shù)為50～3500倍，試驗(yàn)件如圖1所示。

表1 試驗(yàn)件清單

1.2 試驗(yàn)環(huán)境

海洋環(huán)境中的高濕熱、高鹽霧腐蝕環(huán)境對35Cr2Ni4MoA材料的腐蝕影響最為嚴(yán)重，試驗(yàn)重點(diǎn)研究濕熱和鹽霧環(huán)境對材料的腐蝕影響。劉成臣針對不同材料在海洋大氣環(huán)境下的加速環(huán)境譜開展研究[12]。文中在海洋大氣試驗(yàn)環(huán)境譜的基礎(chǔ)上裁剪紫外試驗(yàn)?zāi)K，形成35Cr2Ni4MoA材料的加速環(huán)境譜，其中每個周期的試驗(yàn)作用時(shí)間為336 h，包括 168 h濕熱試驗(yàn)和168 h酸性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)共8個周期，試驗(yàn)的加速試驗(yàn)環(huán)境譜如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

按照加速試驗(yàn)環(huán)境譜開展35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為8周期。嚴(yán)格按照試驗(yàn)程序開展環(huán)境試驗(yàn)，每個周期依次從試驗(yàn)件清洗、初始檢測、周期性加速腐蝕試驗(yàn)、周期性取樣檢測分析等程序進(jìn)行。在加速試驗(yàn)中，按照 GJB 150.9A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第 9部分：濕熱試驗(yàn)》和GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第 11部分：鹽霧試驗(yàn)》開展?jié)駸嵩囼?yàn)和鹽霧試驗(yàn)，每個循環(huán)結(jié)束后檢測試驗(yàn)件腐蝕情況。在試驗(yàn)件檢測前選擇3處腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記為2 cm×2 cm的方格。同時(shí)方格作為試驗(yàn)檢測單位面積，用于檢測單位面積的腐蝕數(shù)量（即用于單位面積腐蝕數(shù)量檢測）。35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件表面腐蝕情況（坑深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數(shù)量）采用 KH-7700三位體式顯微鏡檢測，按照國標(biāo)GB/T 18590—2001變焦顯微測試法，在試驗(yàn)件表面不同部位采集腐蝕數(shù)據(jù)，使檢測的腐蝕數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)試驗(yàn)件的表面整體腐蝕情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件開展 8個周期的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境試驗(yàn)，檢測35Cr2Ni4MoA兩種試驗(yàn)件的腐蝕形貌。YLCL試驗(yàn)件試驗(yàn)初期，點(diǎn)蝕零星分布在試驗(yàn)件表面；隨著試驗(yàn)時(shí)間推移，到試驗(yàn)中期，點(diǎn)蝕數(shù)量增多，點(diǎn)蝕面積增大，腐蝕增長速率快；到試驗(yàn)后期，腐蝕數(shù)量增多，腐蝕面積增大，腐蝕程度嚴(yán)重。YLFK試驗(yàn)件試驗(yàn)初期無明顯腐蝕；試驗(yàn)中期，試驗(yàn)件表面出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕，數(shù)量少，腐蝕程度較輕；試驗(yàn)后期，腐蝕程度相較于中期有所增加，腐蝕數(shù)量、腐蝕面積增加幅度較小。在 1—8周期，2類試驗(yàn)件的蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量等腐蝕數(shù)據(jù)見表1、表2和表3，蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量的數(shù)值為試驗(yàn)檢測均值。

表2 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面蝕坑深度 μm

表3 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面腐蝕面積 μm2

表4 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗(yàn)件外表面單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量

通過表2統(tǒng)計(jì)的蝕坑深度可知，YLCL試驗(yàn)件在環(huán)境試驗(yàn)第1周期中發(fā)生腐蝕，并且腐蝕蝕坑深度隨試驗(yàn)時(shí)間成冪函數(shù)關(guān)系[13]，腐蝕程度越來越嚴(yán)重。YLCL試驗(yàn)件經(jīng)過8個周期環(huán)境試驗(yàn)后，表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖 3a所示。相較之下，YLFK試驗(yàn)件在環(huán)境試驗(yàn)初期未發(fā)生腐蝕，從第3周期開始試驗(yàn)件表面才出現(xiàn)輕微腐蝕。隨著環(huán)境試驗(yàn)的開展，試驗(yàn)件表面蝕坑深度逐漸增大，但增幅較小。YLFK試驗(yàn)件經(jīng)過8個周期環(huán)境試驗(yàn)后，表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖3b所示，經(jīng)歷8個周期環(huán)境試驗(yàn)，YLFK試驗(yàn)件的蝕坑深度僅僅相當(dāng)于 YLCL試驗(yàn)件蝕坑深度25%。由此可以推斷，隨著試驗(yàn)的進(jìn)一步開展，兩種試驗(yàn)件的蝕坑深度差值會越來越大。因此判斷，35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻+封孔防護(hù)后，能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

通過表3統(tǒng)計(jì)的腐蝕面積數(shù)據(jù)可知，YLCL試驗(yàn)件經(jīng)歷8個環(huán)境試驗(yàn)后，形成的腐蝕面積較大，腐蝕面積隨時(shí)間的增加而增大，且增長幅度較快。而YLFK試驗(yàn)件在 8個環(huán)境試驗(yàn)后形成的腐蝕面積較小，腐蝕面積隨時(shí)間增加的增幅較慢。可以看出，試驗(yàn)件表面腐蝕面積變化規(guī)律與唐子龍[13]在考慮蝕坑內(nèi)沉積層情況下提出的半球形孔模型的規(guī)律一致。即YLCL試驗(yàn)件表面蝕坑半徑r隨時(shí)間成直線關(guān)系，YLFK試驗(yàn)件表面蝕坑半徑r隨時(shí)間成平方根關(guān)系。按照這個發(fā)展趨勢，隨著試驗(yàn)進(jìn)一步開展，兩種試驗(yàn)件的腐蝕面積差值會越來越大。因此判斷，35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻+封孔防護(hù)后，能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

YLCL試驗(yàn)件在試驗(yàn)初期腐蝕數(shù)量較少，腐蝕點(diǎn)零星分布在試驗(yàn)件外表面，單位面積內(nèi)的腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量2和3居多。隨著試驗(yàn)的開展，到試驗(yàn)中期，腐蝕速率增加，點(diǎn)蝕個數(shù)增加速率明顯加快，單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量7和8居多。到試驗(yàn)后期，單位面積內(nèi)的腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量3和4居多。相較之下，YLFK試驗(yàn)件在第3周期剛出現(xiàn)點(diǎn)蝕，單位面積內(nèi)的腐蝕數(shù)量為1。在5周期，試驗(yàn)件單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量一般以數(shù)量2和3居多。到試驗(yàn)后期，單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量為2?？梢钥闯?，兩種試驗(yàn)件腐蝕個數(shù)變化趨勢一致，都表現(xiàn)出少→多→少趨勢，但YLCL試驗(yàn)件相較于YLFK試驗(yàn)件，腐蝕個數(shù)整體水平多，且腐蝕程度嚴(yán)重。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對35Cr2Ni4MoA材料兩種試驗(yàn)件開展了8個周期濕熱和鹽霧環(huán)境試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)件的腐蝕形貌如圖4所示。通過對腐蝕深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數(shù)量的檢測和分析，總體而言，兩種試驗(yàn)件表面發(fā)生腐蝕類型為點(diǎn)蝕，且腐蝕程度隨時(shí)間增加而嚴(yán)重。鍍硬鉻+封孔試驗(yàn)件相較于鍍鉻的試驗(yàn)件，點(diǎn)蝕發(fā)生時(shí)間遲、腐蝕速率低且腐蝕程度輕。

1）對于鍍硬鉻+封孔試驗(yàn)件，改變了原先采用鍍硬鉻處理后，材料表面多孔隙的不足，提高了材料表面質(zhì)量，減少了因?yàn)椴牧媳砻驽冇层t后仍有較多孔隙易引起點(diǎn)蝕的不足。因此在腐蝕環(huán)境試驗(yàn)初期，35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻會在外表面微孔隙部位產(chǎn)生點(diǎn)蝕，而采用鍍硬鉻和封孔防護(hù)的沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

2）采用鍍硬鉻和封孔防護(hù)的試驗(yàn)件，由于試驗(yàn)件表面孔隙被封孔劑填充，腐蝕產(chǎn)物只能停留在材料表面，不能沿著深度方向發(fā)展，所形成的腐蝕產(chǎn)物對于點(diǎn)蝕周圍區(qū)域的張力作用很小，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物張力作用不能促進(jìn)腐蝕環(huán)境介質(zhì)對材料表面的快速腐蝕作用。隨著試驗(yàn)的開展，對于鍍硬鉻試驗(yàn)件而言，更多腐蝕介質(zhì)通過微裂紋和孔隙與材料基材反應(yīng)，使機(jī)體材料腐蝕。隨著腐蝕程度不斷加深，在腐蝕部位產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物。同時(shí)在腐蝕產(chǎn)物不斷增長過程中對試驗(yàn)件腐蝕部位表面產(chǎn)生張力作用，導(dǎo)致腐蝕中心部位發(fā)生鼓包和龜裂，并產(chǎn)生微裂紋。微裂紋形成之后，腐蝕會沿著裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物以更快的速度增長，使試驗(yàn)件表面腐蝕情況更加嚴(yán)重。同時(shí)腐蝕產(chǎn)物在裂紋處累積，又促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致腐蝕速率越來越快。在這樣相互促進(jìn)作用下，試驗(yàn)件腐蝕速率加快。這也是封孔防護(hù)后腐蝕程度明顯降低、腐蝕速率減小的原因。

3）封孔防護(hù)的試驗(yàn)件在試驗(yàn)中后期，由于腐蝕產(chǎn)物大量在表面積累，阻隔了材料與腐蝕環(huán)境介質(zhì)的接觸，減少了腐蝕環(huán)境與內(nèi)表面基材作用，從而降低了材料表面腐蝕速率。

綜上所述，通過驗(yàn)證35Cr2Ni4MoA材料表面兩種防護(hù)方法的耐蝕性，鍍硬鉻和封孔防護(hù)在鍍硬鉻的基礎(chǔ)上，提高了35Cr2Ni4MoA材料表面處理質(zhì)量，減少了35Cr2Ni4MoA材料表面處理孔隙，切斷了環(huán)境介質(zhì)與 35Cr2Ni4MoA基材接觸途徑，對于35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻表面處理的防腐蝕能力提升有重要作用。同時(shí)也為35Cr2Ni4MoA材料在海洋環(huán)境下的工程運(yùn)用提供了好的思路和方向。

3 結(jié)論

通過開展35Cr2Ni4MoA材料的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1）采用蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內(nèi)腐蝕數(shù)量等腐蝕特征量能夠有效描述35Cr2Ni4MoA材料表面的腐蝕程度，準(zhǔn)確合理地反映35Cr2Ni4MoA材料表面的腐蝕特點(diǎn)。

2）鍍硬鉻和封孔防護(hù)相較于鍍硬鉻表面防護(hù)，能大幅度提高35Cr2Ni4MoA材料表面的耐蝕性。

3）鍍硬鉻和封孔防防護(hù)能提高35Cr2Ni4MoA材料表面處理質(zhì)量，減少35Cr2Ni4MoA材料表面處理孔隙，能有效降低35Cr2Ni4MoA材料發(fā)生腐蝕的概率，為35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻的防腐蝕技術(shù)改進(jìn)指明方向。

4）通過開展35Cr2Ni4MoA材料兩種表面防護(hù)耐蝕性研究，驗(yàn)證了35Cr2Ni4MoA材料表面耐腐蝕性能，為服役在海洋惡劣環(huán)境下飛機(jī)35Cr2Ni4MoA材料的腐蝕防護(hù)提供了依據(jù)。