燃料艙殼體黑斑原因分析及解決措施

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[摘 ? ?要]針對某型水下航行器燃料艙殼體黑斑故障的排查、分析和驗證，進(jìn)行故障樹分析及故障復(fù)現(xiàn)驗證，確定黑斑產(chǎn)生原因是殼體在機(jī)加過程中黏附腐蝕物質(zhì)、長時間擱置和棱角部位粗糙度大等綜合因素影響形成微觀腐蝕點(diǎn)，在陽極氧化中由于棱角處電流密度大，腐蝕點(diǎn)經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)放大形成明顯黑斑。

[關(guān)鍵詞]燃料艙殼體;黑斑;腐蝕

[中圖分類號]TG115 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]In view of the troubleshooting， analysis and verification of the black spot failure of the fuel tank shell of a certain type of underwater vehicle， the fault tree analysis and failure recurrence verification are carried out to determine the cause of the black spot is the adhesion of corrosive substances to the shell during the machining process and a long time. The comprehensive factors such as shelving and the large roughness of the corners and corners affect the formation of microscopic corrosion spots. In anodizing， due to the high current density at the corners， the corrosion spots are amplified by electrochemical reactions to form obvious black spots.

[Keywords]fuel tank shell; black spot; corrosion

1 故障現(xiàn)象

在某水下航行器燃料艙殼體終檢過程中，發(fā)現(xiàn)部分殼體內(nèi)表面局部發(fā)現(xiàn)有微小黑斑，黑斑的主要分布區(qū)域在殼體前端窗口修銼部位、窗口上下邊緣、端面內(nèi)外邊緣以及30°倒角下邊緣處，呈線型排列（圖1）。缺陷樣貌呈點(diǎn)狀黑斑，如圖2所示，黑斑直徑約1 mm以內(nèi)，成分為鈉、硅、硫、氯、鈣等。

2 故障分析

燃料艙殼體為回旋形薄壁殼體，材料為鋁合金7A19，通過陽極氧化的方式達(dá)到表面防腐的目的，這些黑斑是在殼體陽極氧化后發(fā)現(xiàn)的。針對黑斑現(xiàn)象，從原材料、加工過程、中間過程、防護(hù)等方面進(jìn)行分析，建立故障樹如圖3。

2.1 原材料（X1）

原材料本身缺陷會導(dǎo)致殼體在氧化過程中出現(xiàn)黑斑現(xiàn)象，如材料偏析或出現(xiàn)個別成分超差。

燃料艙殼體所用管料是鋁合金7A19熱擠壓管料，管料經(jīng)過截成段狀后加工成殼體。剛擠壓成形的長管料兩端容易材料偏析，當(dāng)靠近兩端的段管料加工成殼體后，如果材料偏析嚴(yán)重，在后續(xù)的氧化過程中會產(chǎn)生黑斑。針對材料偏析，選取本批殼體所用管料靠近兩端的8件料頭進(jìn)行加工，加工尺寸模擬燃料艙殼體成形尺寸后進(jìn)行陽極氧化，氧化膜全部正常，排除材料偏析造成殼體黑斑。

回查本批殼體所用管料的產(chǎn)品質(zhì)量證明書、進(jìn)廠復(fù)驗項目均合格，再次取樣檢測項目也合格（表1），排除出現(xiàn)個別成分超差導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑。

選取黑斑較多的燃料艙殼體通過機(jī)加去除黑斑，對其再進(jìn)行陽極氧化，氧化后原來位置未出現(xiàn)黑斑，排除原材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑。

綜上，原材料缺陷導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑不成立。

2.2 表面處理吊裝方式（X2）

針對黑斑出現(xiàn)在殼體固定一端的現(xiàn)象，分析是否存在槽液某一分層位置氧化更容易出現(xiàn)黑斑，因此通過吊裝方式改變殼體在槽液中的位置進(jìn)行驗證。采取4種吊裝方式分別對殼體進(jìn)行陽極氧化，對每種吊裝方式實驗5次殼體氧化，如圖4所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正向、倒向以及不同高低位置氧化后，殼體出現(xiàn)黑斑的部位仍在殼體前端原位置。因此，吊裝方式導(dǎo)致殼體固定一端出現(xiàn)黑斑不成立。

2.3 表面處理槽液氯離子超標(biāo)（X3）

陽極氧化過程中，槽液中Cl–>200×10–6容易導(dǎo)致殼體出現(xiàn)點(diǎn)蝕，其外觀特征是深的星形黑點(diǎn)，在工件邊角位置或其他高電流密度區(qū)域更為密集，這與本殼體出現(xiàn)的黑斑較為相似，因此如果氧化槽液內(nèi)氯離子含量超標(biāo)可能會導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑。

首先對氧化槽液進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果均符合工藝要求，氯離子濃度遠(yuǎn)低于200×10–6;同時對氧化槽液徹底更換，并做去離子水硝酸銀檢測，嚴(yán)格把控槽液中的氯離子含量。更換槽液后，下一批次燃料艙殼體氧化后依舊有部分殼體出現(xiàn)黑斑。因此殼體黑斑問題與氧化槽液的氯離子超標(biāo)無關(guān)。

2.4 氧化過程（X4）

在陽極氧化過程中，工藝參數(shù)變化、人員變動以及設(shè)備變更等均能對陽極氧化膜造成影響。經(jīng)回查，操作人員、工藝規(guī)程、設(shè)備、槽液原料廠家以及操作過程均無變化。同時跟蹤殼體氧化過程，在保證操作過程無誤的情況下，仍有部分殼體出現(xiàn)黑斑，因此氧化過程導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑不成立。

2.5 機(jī)加過程中的人員操作（X5）

在殼體機(jī)加過程中，因為操作人員的操作不當(dāng)，在精加工序中，殼體表面出現(xiàn)紋理波紋、顫刀、傷痕等情況，將導(dǎo)致殼體氧化過程出現(xiàn)黑斑。

燃料艙殼體機(jī)加包含分為粗加工、半精加工和精加工三個階段，粗加工主要是去除大的加工余量，余量約有10 mm，半精加工主要是車內(nèi)外圓和銑楔環(huán)槽，有1～2 mm的加工量，粗加工和半精加工不會造成殼體黑斑現(xiàn)象。

根據(jù)黑斑出現(xiàn)位置，著重對精車外徑、精鏜內(nèi)孔、修銼楔環(huán)槽和拋光工序的操作人員、操作記錄進(jìn)行回查。經(jīng)查，精加工的操作人員均具備技能資質(zhì)，產(chǎn)生膜層黑斑的殼體散布在每個參與精加工的操作人員加工的產(chǎn)品中，因此機(jī)加過程中個別人員操作導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑不成立。

2.6 機(jī)加過程中的設(shè)備變化（X6）

機(jī)加過程中設(shè)備發(fā)生變化，可能造成殼體表面出現(xiàn)隱性缺陷，導(dǎo)致殼體氧化出現(xiàn)黑斑。針對設(shè)備問題，對所有工序的設(shè)備進(jìn)行回查，實際加工過程所用設(shè)備與工藝要求設(shè)備一致，設(shè)備確認(rèn)資料齊全，設(shè)備運(yùn)行良好。因此機(jī)加過程中的設(shè)備變化導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑不成立。

2.7 機(jī)加過程中的工藝變化（X7）

機(jī)加加工過程中的工藝與零部件加工精度之間有著密切聯(lián)系，工藝變更會降低殼體加工精度和表面粗糙度，影響陽極氧化膜層質(zhì)量。前211A.03Z-1機(jī)加工藝規(guī)程為2013年生產(chǎn)定型工藝規(guī)程，工序中的工藝內(nèi)容無變化。因此機(jī)加加工過程中的工藝變化導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑不成立。

2.8 機(jī)加過程中接觸的介質(zhì)（X8）

在機(jī)加過程中，殼體不可避免地會接觸到外部介質(zhì)，若未及時清理，介質(zhì)中的弱酸性溶液、氯離子或其他物質(zhì)會對殼體表面造成腐蝕（如乳化液、煤油、自來水、汗液等）;可能有雜質(zhì)（如鋁屑末、砂粉、灰塵等）進(jìn)入殘余腐蝕坑內(nèi)，氧化前處理（堿洗、除油）若不能徹底清除，極易造成殼體氧化后出現(xiàn)黑斑。

機(jī)加過程中主要使用乳化液和煤油等介質(zhì)，工人操作過程中存在不戴防護(hù)手套用手直接觸摸殼體邊緣部位導(dǎo)致汗液附在其表面的現(xiàn)象，機(jī)加工序完成后，殼體邊緣部位也出現(xiàn)過暗色腐蝕區(qū)域，機(jī)加過程中接觸的介質(zhì)能夠造成殼體腐蝕，因此不能完全排除。

2.9 擱置時間過長（X9）

殼體機(jī)加環(huán)境溫度在10～35 ℃，符合機(jī)加溫度規(guī)定，在工序流轉(zhuǎn)和產(chǎn)品交接前后的擱置期間，殼體一端放在皮墊上，呈直立狀態(tài)。從精加工成形尺寸工序到陽極氧化工序間的擱置時間有時較長，本批殼體擱置時間4個月。鋁合金在潮濕環(huán)境中的長時間擱置狀態(tài)下，由于殼體一端接觸地面，導(dǎo)致殼體內(nèi)部溫、濕度差較大，空氣流通性差，可能導(dǎo)致腐蝕點(diǎn)產(chǎn)生。

為了驗證該因素的影響，對同批次6件殼體縮短精加工到陽極氧化工序的間隔時間全程跟蹤加工方式和周轉(zhuǎn)過程，陽極氧化后全部合格，無黑斑出現(xiàn)，縮減工序時間可有效減少黑斑出現(xiàn)。因此擱置時間過長導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑現(xiàn)象不能排除。

2.10 應(yīng)力變化（X10）

在機(jī)加過程中的表面殘余應(yīng)力無法完全釋放時，殼體一端的棱角處更易受到影響從而形成微小裂紋等缺陷，這些缺陷易造成后期腐蝕或氧化過程中出現(xiàn)擴(kuò)張現(xiàn)象。

為驗證該因素影響，對相同材料鋁合金試樣進(jìn)行吊拉應(yīng)力，使其材料發(fā)生應(yīng)力變形，試樣浸泡鹽水后，對其進(jìn)行陽極氧化，未發(fā)生黑斑。因此排除應(yīng)力無法釋放導(dǎo)致殼體出現(xiàn)黑斑現(xiàn)象。

3 故障定位

根據(jù)故障樹分析，十個底事件中八個因素得到排除，機(jī)加過程中接觸的介質(zhì)（X8）和擱置時間過長（X9）無法排除。

為了進(jìn)一步確定黑斑產(chǎn)生原因，對殼體點(diǎn)蝕部位進(jìn)行了切片取樣，進(jìn)行了材料學(xué)分析和EDS掃描，確定鋁合金7A19工件陽極氧化層點(diǎn)蝕現(xiàn)象是有局部氯離子含量較高引起的。

綜合分析，燃料艙殼體黑斑故障定位為：殼體在機(jī)加過程中黏附腐蝕物質(zhì)、長時間擱置和棱角部位粗糙度大等綜合因素形成微觀腐蝕點(diǎn)，在陽極氧化中由于棱角處電流密度大，腐蝕點(diǎn)經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)放大形成明顯黑斑。

4 故障機(jī)理

鋁合金7A19是一種超硬鋁合金，超硬鋁合金出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕需要滿足腐蝕性物質(zhì)、腐蝕時間以及材料表面易腐蝕區(qū)域等條件。

殼體機(jī)加過程中，存在操作人員徒手搬動殼體情況，經(jīng)過刮蹭，手汗等含氯離子的介質(zhì)容易黏附在殼體前端止口部位，如不及時清理，汗液揮發(fā)后留下的高濃度氯離子與鋁合金發(fā)生腐蝕反應(yīng)，極易造成不易觀察到的輕微腐蝕點(diǎn)。

鋁合金7A19材料的表面狀態(tài)對它的腐蝕行為有很大的影響，金屬表面越是勻稱、光滑，所生成的表面鈍化膜耐腐蝕性越好，機(jī)械加工粗糙的表面造成機(jī)械劃傷能增加金屬對點(diǎn)蝕的敏感性，燃料艙殼體前端面棱角處屬于易腐蝕區(qū)域，容易吸附腐蝕物質(zhì)，給后期的點(diǎn)腐蝕提供便利。

腐蝕物長時間吸附在金屬表面會促進(jìn)腐蝕，經(jīng)過回查本批燃料艙生產(chǎn)記錄，精加工到陽極氧化擱置時間較長，擱置時間4個月。

本批燃料艙生產(chǎn)過程中，存在前端棱角處黏附腐蝕性物質(zhì)（手汗等）、較長的擱置時間，在這些綜合因素作用下，部分燃料艙殼體陽極氧化后在前端棱角處出現(xiàn)了黑斑。

5 故障復(fù)現(xiàn)試驗

根據(jù)故障機(jī)理，開展故障復(fù)現(xiàn)試驗，首先對鋁合金7A19試樣人工汗液腐蝕，然后用銳物對其棱角進(jìn)行擠壓，使氯離子殘留物封閉在發(fā)生形變的部位，最后經(jīng)過陽極氧化后觀察形貌如圖5。經(jīng)電鏡掃描后，對三種黑斑的樣貌進(jìn)行放大對比，圖片如圖6。

對比后發(fā)現(xiàn)，故障復(fù)現(xiàn)試驗試樣和殼體黑斑形貌基本一致，都是典型的腐蝕坑，坑底部位露出基體，邊緣部位有一些完整的晶粒被腐蝕成黑快，交錯連接在一起，表面凹凸不平，具有一定的方向性和連續(xù)性。

隨后對殼體解剖試樣以及故障復(fù)現(xiàn)試樣1和2進(jìn)行電鏡成分分析，成分如表2。電鏡成分分析具有一定誤差，但是三種腐蝕物成分種類基本一致，成分比例存在一定程度不同，通過這些對比，確定故障復(fù)現(xiàn)試樣黑斑與殼體解剖試樣黑斑具有一致性。

6 措施及驗證

根據(jù)故障分析及復(fù)現(xiàn)試驗情況，為了預(yù)防殼體繼續(xù)出現(xiàn)黑斑，采取以下措施：

（1）增強(qiáng)產(chǎn)品防護(hù)要求。制定了切實有效的產(chǎn)品防護(hù)管理辦法，要求工人嚴(yán)格執(zhí)行管理辦法，杜絕不戴防護(hù)手套搬運(yùn)殼體，避免殼體在機(jī)加和周轉(zhuǎn)過程中被腐蝕介質(zhì)污染。

（2）增強(qiáng)生產(chǎn)計劃管理，統(tǒng)籌安排產(chǎn)品生產(chǎn)，縮短殼體機(jī)加到表面處理的時間，減少殼體被腐蝕的概率。

（3）為減少點(diǎn)蝕源，燃料艙殼體機(jī)加工藝中增加陽極氧化前棱角機(jī)械拋光工序。

為驗證措施的有效性，后續(xù)一批燃料艙殼體采取上述措施并進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤，陽極氧化后所有殼體均未出現(xiàn)黑斑，措施驗證有效。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟凡亮.某產(chǎn)品燃料艙殼體滲漏原因分析[J].機(jī)械工程與自動化，2019（6）：210-211.