航空發(fā)動機典型基材防護體系加速腐蝕試驗研究

劉治國，查小暉，王莉，李心舒，李宇濤

（1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，青島 266041； 2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，株洲 412002；3. 91001部隊，北京 100000； 4. 92925部隊，長治 046000）

引言

環(huán)境適應(yīng)性是包括發(fā)動機在內(nèi)的所有航空裝備的一種極其重要的質(zhì)量特性，它直接關(guān)系到發(fā)動機的使用效能、生存期和安全性。發(fā)動機基體金屬材料受環(huán)境因素作用發(fā)生腐蝕損傷會直接導(dǎo)致其環(huán)境適應(yīng)性下降。隨著發(fā)動機使用年限的增加，基體結(jié)構(gòu)材料受環(huán)境作用會逐漸發(fā)生腐蝕并逐年加重[1-3]，尤其是發(fā)動機服役在高溫高濕環(huán)境下，大氣環(huán)境腐蝕最終成為影響航空發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性的突出問題。航空發(fā)動機日歷壽命大都超過20年，首翻周期一般是5～10年，若以真實服役環(huán)境對發(fā)動機結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境適應(yīng)性進行研究，從時間、費用、人力以及技術(shù)上都難以工程化實現(xiàn)。目前對航空發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)/材料的環(huán)境適應(yīng)性研究主要通過兩種方式開展：一種方式主要采用相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 150等開展基礎(chǔ)級的考核試驗；二是通過模擬服役環(huán)境的加速腐蝕試驗方法開展考核試驗[4-10]，該試驗方法通過服役環(huán)境譜編制、金屬材料等腐蝕損傷當(dāng)量折算關(guān)系進而編制加速腐蝕試驗環(huán)境譜的技術(shù)體系來實現(xiàn)，即通過實驗室加速腐蝕環(huán)境等量再現(xiàn)航空發(fā)動機在服役環(huán)境中的腐蝕損傷模式、類型與程度，該方法可在航空發(fā)動機研制階段對其后續(xù)服役環(huán)境適應(yīng)性進行試驗考核與評估，并依據(jù)試驗結(jié)果對裝備的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、腐蝕防護涂層等進行篩選、改進與優(yōu)化。

根據(jù)某型航空發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性研究需要，本文依托文獻[4-6]中方法，結(jié)合該型發(fā)動機服役環(huán)境數(shù)據(jù)與當(dāng)量關(guān)系理論，編制了模擬其服役環(huán)境的實驗室仿真加速腐蝕試驗環(huán)境譜，依托該加速譜開展擬用的多種基材及不同防護體系試件加速腐蝕試驗并檢測各個試件各個腐蝕周期下典型腐蝕損傷區(qū)域的宏觀、微觀損傷程度，依據(jù)檢測結(jié)果進行同一基材、不同防護體系試件的耐蝕性比對與篩選，為該型發(fā)動機服役環(huán)境適應(yīng)性選材設(shè)計與工程應(yīng)用提供試驗驗證支撐與分析基礎(chǔ)。

1 仿真加速腐蝕試驗環(huán)境譜

為真實探究、獲取航空發(fā)動機基材及其防護體系于真實服役條件下環(huán)境適應(yīng)性水平，本文依據(jù)文獻[5,6]中環(huán)境譜設(shè)計方法，設(shè)計、編制得到模擬航空發(fā)動機典型服役環(huán)境的仿真加速腐蝕試驗環(huán)境譜（如圖1），依據(jù)該譜開展發(fā)動機基材試件（同一基材分為不同表面處理工藝與防護體系，具體見下文）的實驗室加速腐蝕試驗。環(huán)境譜的組成與文獻[5,6]中相同，主要由濕熱環(huán)境構(gòu)成，為再現(xiàn)并加快試件的腐蝕速率，環(huán)境譜中溶液成分為濃度為重量百分比為5 %（wt.%）的NaCl溶液中加入稀H2SO4，使溶液的pH=4.0±0.2。腐蝕的方式主要為腐蝕溶液周期浸潤與高溫濕環(huán)境烘烤。仿真加速腐蝕試驗環(huán)境譜的具體作用強度規(guī)律為：干濕交變255次，其中每次溶液浸泡4.6 min、烘烤12.3 min。在該加速譜的作用規(guī)律下，每加速腐蝕試驗時間71.82 h（1個加速腐蝕周期），大約3天，相當(dāng)于航空發(fā)動機基材服役環(huán)境下作用1年的腐蝕損傷量。

2 基材試件及其防護體系

根據(jù)該型航空發(fā)動機基材選用材料，試件基材分別為鋁合金、合金鋼、鈦合金、鎂合金四種類型，具體型號及其防護體系見表1所示，為保證試驗結(jié)果具有統(tǒng)計意義，每種標(biāo)號試件共5個，則總計80個試件。部分典型基材試件原始形貌見圖2所示。

圖1 仿真加速點蝕試驗環(huán)境譜

表1 基材試件及其表面處理工藝與防護體系

3 仿真加速腐蝕試驗

依據(jù)仿真加速點蝕試驗環(huán)境譜，采用ZJF-45G周期浸潤試驗箱開展上述四類試件的實驗室加速腐蝕試驗。為防止多種不同基體材料試件在試驗過程中相互接觸而發(fā)生意外電化學(xué)腐蝕，試件垂直放置在PVC材料制作的絕緣擱架的卡槽內(nèi)，試驗設(shè)備及試件放置如圖3所示。

圖2 部分試件原始形貌

圖3 設(shè)備及試驗件擺放照片

加速腐蝕試驗過程參照HB 5455-90標(biāo)準(zhǔn)進行過程控制，依據(jù)首翻期壽命指標(biāo)，該仿真加速腐蝕試驗進行了8個周期，相當(dāng)于8個日歷年限的加速腐蝕試驗。每個周期后，逐一取出試件，按照先清洗、再晾干、其后檢測的程序，采用科視達(dá)KH-7700三維顯微鏡進行基材試件典型腐蝕損傷區(qū)域宏觀腐蝕形貌與微觀腐蝕損傷尺寸檢測，檢測設(shè)備及試件腐蝕損傷檢測圖像如圖4中所示。檢測完成后，將試件再逐一放置于周期浸潤試驗箱內(nèi)，開展后續(xù)周期試驗。

4 試驗結(jié)果分析

對每個腐蝕周期后基材試件的表面腐蝕損傷狀態(tài)進行檢測、記錄，并對上述信息進行定性梳理統(tǒng)計，由此即可得到各種基材試件在不同表面處理工藝與防護措施下的腐蝕損傷演變規(guī)律，各類基材試件部分腐蝕周期下腐蝕損傷信息如表2所示。

圖4 KH-7700三維腐蝕損傷檢測顯微鏡及點蝕損傷檢測圖像

表2 部分基材試件腐蝕損傷演變信息

典型基材試件加速腐蝕后典型腐蝕損傷形貌如圖5所示。依據(jù)試驗結(jié)果，對四類基材各個試件的腐蝕損傷程度進行比對分析，篩選同類基材中耐蝕性優(yōu)良的表面處理工藝與防護體系，見表3所示，從中可見，對鎂合金、合金鋼以及鈦合金材料，所給的防護體系中，可以篩選出耐蝕性較為優(yōu)良的防護體系，而對鋁合金材料，三種防護體系與表面處理工藝，在本文的加速腐蝕環(huán)境下，均不理想。

圖5 部分試件試驗后形貌

表3 基材試件耐蝕性篩選情況分析

5 結(jié)論

根據(jù)某型航空發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性研究需要，本文采用模擬服役環(huán)境的實驗室仿真加速腐蝕試驗方法，對擬用的四類基材及不同表面處理工藝與防護體系的共80個試件，開展了8個周期的加速腐蝕試驗，依據(jù)各個試件各個腐蝕周期下腐蝕損傷檢測結(jié)果與演變規(guī)律分析結(jié)果，對同一基材、不同表面處理工藝與防護體系試件的耐蝕性比對與篩選，分別篩選出鎂合金、合金鋼、鈦合金三類基材中5種環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)良的表面防護體系，而鋁合金基材所給的防護體系耐蝕性均不理想。