航空發(fā)動機(jī)用離子鍍銀緊固件的耐酸性鹽霧性能研究

詹興剛，胡軍林，劉 燕，李 祥，林修洲，裴烈勇，袁光生，詹永琴，黃 麗，韓珍梅

（1.貴州航天精工制造有限公司，貴州 遵義 563000；2.天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實驗室，天津 300300；3.四川輕化工大學(xué)材料學(xué)院，四川 自貢 643000）

航空發(fā)動機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為航空器提供飛行所需動力的發(fā)動機(jī)，作為飛機(jī)的心臟，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動機(jī)因高可靠性、高強(qiáng)度、高耐溫、高耐蝕、高抗疲勞等特性要求，配套緊固件多采用高溫合金，主要類別包括鐵基（GH2132、GH3030等）、鎳基（GH4169、GH738等）及鈷基（GH159等）三類，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作，并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化、抗腐蝕性能、疲勞性能及斷裂韌性等綜合性能。因高溫環(huán)境下工作的緊固件需定期拆裝，緊固件的腐蝕問題制約了連接可靠性［1-5］，所以多采用鍍銀處理，滿足緊固件高溫服役、常溫拆裝工況下的潤滑及耐蝕性能要求。目前大量應(yīng)用的是電鍍銀工藝，其工藝成熟，且易于批量生產(chǎn)，但該工藝制備的鍍層存在氫脆風(fēng)險，同時，航空發(fā)動機(jī)日常維護(hù)拆卸過程中偶發(fā)粘結(jié)、咬死、變色等問題，影響著發(fā)動機(jī)維修進(jìn)度和可靠性［6-10］。因此，研究一種耐蝕性好、結(jié)合強(qiáng)度高、純度高的潤滑耐蝕銀層制備工藝具有重要意義。真空離子鍍銀是在真空環(huán)境下在緊固件表面形成銀薄膜的工藝，制備的鍍層致密、結(jié)合強(qiáng)度高，工藝過程無氫脆風(fēng)險，綠色環(huán)保，是較為理想的替代工藝方法。

隨著“深海戰(zhàn)略”的推進(jìn)實施，各類航空航天裝備全域服役，對艦載裝備為例的各類型號及配套零部件提出了耐192 h酸性鹽霧的試驗要求。國內(nèi)外開展了多種材料的耐酸性鹽霧性能研究［11-13］。鍍銀層的前后處理對其耐蝕性能影響顯著，打底鎳層［14］、外加涂覆保護(hù)劑［15-17］都可以提升材料的耐腐蝕性能。為滿足航空發(fā)動機(jī)所有高溫合金螺紋緊固件的耐蝕潤滑性能，本文考察了真空離子鍍銀緊固件的耐酸性鹽霧性能，不同前后處理工藝對產(chǎn)品耐蝕性能的影響，優(yōu)選了工藝以滿足航空發(fā)動機(jī)對配套緊固件的各項性能要求。

1 試驗

1.1 試驗樣件

選擇不同材料牌號、不同種類和規(guī)格發(fā)動機(jī)螺栓螺母進(jìn)行鍍層制備和性能驗證，樣件信息見表1。

表1 樣件清單Tab.1 List of samples

1.2 工藝流程

緊固件表面處理流程為：驗收→除油→噴砂→活化→預(yù)鍍鎳→裝爐→真空離子鍍銀［18-19］（I.V.D.Ag）→出爐→后處理（成膜→去膜→浸亮）→涂覆保護(hù)劑→檢驗。

其中真空離子鍍銀的工藝流程為：抽真空（≤10-3Pa，≥20 min）→離子刻蝕（≤10-1Pa，≥20 min）→離子轟擊（≥6 min）→離子鍍銀（≥6 min）→中頻磁控濺射鍍銀（≥30 min）→直流鍍銀（≥90 min）。鍍銀層的厚度為5～8 μm。

1.2.1 預(yù)鍍鎳

工藝1（采用Ap.Ni表示）：先采用氯化物鍍鎳，隨后采用化學(xué)鍍鎳；化學(xué)鍍鎳包括堿性化學(xué)鍍鎳、酸性化學(xué)鍍鎳兩個步驟，以及固化熱穩(wěn)定。鍍層厚度范圍2～4 μm。

工藝2（采用Ep.Ni表示）：先采用氯化物鍍鎳，隨后采用氨基磺酸鹽鍍鎳。鍍層厚度范圍2～4 μm。

1.2.2 涂覆保護(hù)劑

鍍銀層后處理后分別采用商品化的HTAg-2000防變色劑、LD-4310保護(hù)劑、BK保護(hù)劑三種處理方式，室溫涂覆2～3次，每次涂覆時間15～30 s。

1.3 性能檢測

按T/CSEA 15—2021《真空磁控濺射鍍銀工藝及質(zhì)量檢驗》規(guī)定檢驗鍍層各項性能［20］。產(chǎn)品的酸性鹽霧試驗參照GJB 150.11A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法，第11部份：鹽霧試驗》執(zhí)行，其中噴霧采用乙酸調(diào)整氯化鈉鹽溶液pH至3.5，然后按照24 h噴霧、24 h停止噴霧進(jìn)行干燥交替循環(huán)試驗。每24 h記錄1次樣件的腐蝕現(xiàn)象，試驗周期滿足192 h即停止試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層剖面形貌及成分分析

圖1為鍍銀螺母剖面形貌圖及鍍層成分先掃描結(jié)果。圖1（a）和圖1（b）為螺母內(nèi)螺紋牙頂鍍層剖面形貌，從圖中可以看出，預(yù)鍍鎳和鍍銀層沒有明顯的界面，鍍層整體厚度為4～9 μm。選擇圖1（b）中A到B位置進(jìn)行了成分線掃描，得到鍍層成分的漸變情況見圖1（c）?？梢钥吹剑瑥幕w向鍍層過渡的區(qū)域，鎳含量顯著升高，為預(yù)鍍鎳層。涂覆保護(hù)劑的厚度都非常薄，且主要成分為高分子有機(jī)物，通過掃描電鏡和SEM難以直接觀測。但通過肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)鍍層表面亮度有輕微變化。

圖1 鍍層剖面形貌及成分線掃描結(jié)果Fig.1 Profile morphology of the coating and its component line scanning results

2.2 GH738緊固件耐酸性鹽霧性能

GH738緊固件采用了不同的預(yù)鍍處理和保護(hù)劑處理后，耐酸性鹽霧試驗結(jié)果見表2，其中Ap.Ni預(yù)鍍的產(chǎn)品試驗結(jié)束后外觀見圖2。從表2結(jié)果可知，預(yù)鍍前處理方式對產(chǎn)品最終的耐腐蝕性能影響不明顯，無論是否采用預(yù)鍍鎳工藝，都未改變產(chǎn)品最終的腐蝕狀態(tài)。不同的保護(hù)劑對緊固件的耐酸性鹽霧性能影響顯著，采用HTAg-2000和BK保護(hù)劑都能很好地防止產(chǎn)品及銀層出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，可滿足192 h的酸性鹽霧試驗要求；而LD-4310保護(hù)劑則無法通過酸性鹽霧試驗考察。GH738高溫合金是γ相沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金材料，具有良好的耐燃?xì)飧g能力、較高的屈服強(qiáng)度和疲勞性能，工藝塑性良好，組織穩(wěn)定。廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件，使用溫度≥815℃，可以用來生產(chǎn)冷軋、熱軋板材、管材、帶材、絲材、鍛件、鑄件以及緊固件等。酸性試驗后緊固件產(chǎn)品出現(xiàn)的綠色腐蝕產(chǎn)物推測為鎳的化合物，黑點(diǎn)為銀鍍層及其夾雜物在試驗過程中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物。

表2 GH738緊固件耐酸性鹽霧試驗結(jié)果Tab.2 Acid salt spray test results of GH738 fasteners

圖2 經(jīng)192 h酸性鹽霧試驗后自鎖螺母外觀（Ap.Ni處理）Fig.2 Appearance of self-lock nut after 192 h acid salt spray test（Ap.Ni treatment）

2.3 GH4169緊固件耐酸性鹽霧性能

GH4169緊固件采用了不同的預(yù)鍍處理和保護(hù)劑處理后，耐酸性鹽霧試驗結(jié)果見表3，其中Ap.Ni預(yù)鍍的產(chǎn)品試驗結(jié)束后外觀見圖3。從表3結(jié)果可知，與GH738材料緊固件類似，預(yù)鍍前處理方式對產(chǎn)品最終的耐腐蝕性能影響不明顯，無論是否采用預(yù)鍍鎳工藝，都未改變產(chǎn)品最終的腐蝕狀態(tài)。不同的保護(hù)劑對緊固件的耐酸性鹽霧性能影響顯著，采用HTAg-2000和BK保護(hù)劑都能很好的防止產(chǎn)品及銀層出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，可滿足192 h的酸性鹽霧試驗要求；而LD-4310保護(hù)劑則無法通過酸性鹽霧試驗考察。BK保護(hù)劑在與氯化物鍍鎳+氨基磺酸鹽鍍鎳匹配時，出現(xiàn)了輕微的涂層剝落現(xiàn)象。

圖3 經(jīng)192 h酸性鹽霧試驗后十二角頭螺栓外觀（Ap.Ni處理）Fig.3 Appearance of twelve-point bolt after 192 h acid salt spray test（Ap.Ni treatment）

GH4169高溫合金是以體心四方和面心立方的相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金材料，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能以及良好的加工性能、且焊接性能良好。制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)、擠壓模具以及在航空發(fā)動機(jī)緊固件領(lǐng)域應(yīng)用較廣。GH4169自身耐蝕性較好。后處理采用浸涂LD-4310納米保護(hù)劑后耐蝕性較差，≤48 h后表面變綠帶黑點(diǎn)。不同預(yù)鍍鎳前處理方式經(jīng)酸性鹽霧試驗，耐蝕性時間依次為：Ep.Ni 120 h＞Ap.Ni 96 h＞無預(yù)鍍鎳48 h，結(jié)果見圖4。

2.4 GH2132緊固件耐酸性鹽霧性能

GH2132緊固件采用了不同的預(yù)鍍處理和保護(hù)劑進(jìn)行處理，Ep.Ni預(yù)鍍的產(chǎn)品試驗結(jié)束后外觀見圖5，耐酸性鹽霧試驗結(jié)果見表4。耐蝕性高溫合金（GH2132）是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金材料，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強(qiáng)化，在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能，適合制造在650℃以下長期工作的航空發(fā)動機(jī)高溫承接部件，如渦輪盤、壓力機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片及緊固件等。從表4和圖6中分析結(jié)果顯示，GH2132自身耐蝕性一般，在真空離子鍍銀前采用了不同的預(yù)鍍鎳處理、防銀變色后處理，得到預(yù)鍍層及后處理的關(guān)系：（1）192 h酸性鹽霧試驗時間從長到短：Ep.Ni＞Ap.Ni＞無預(yù)鍍鎳；（2）HTAg-2000防變色劑＞BK保護(hù)劑＞LD-4310保護(hù)劑。GH2132緊固件通過預(yù)鍍底層（Ep.Ni、Ap.Ni）后采用合適后處理（HTAg-2000防銀變色劑、BK保護(hù)劑）銀層基本能滿足192 h酸性鹽霧試驗要求，后處理采用浸涂LD-4310納米保護(hù)劑后耐蝕性很差，≤48 h后表面變綠帶黑點(diǎn)。而不加預(yù)鍍底層采用任何后處理后耐蝕性試驗均不合格。

圖5 192 h酸性鹽霧試驗后自鎖螺母外觀（Ep.Ni處理）Fig.5 Appearance of self-lock nut after 192 h acid salt spray test（Ep.Ni treatment）

表4 GH2132緊固件耐酸性鹽霧試驗結(jié)果Tab.4 Acid salt spray test results of GH2132 fasteners

圖6 GH2132緊固件的耐蝕性Fig.6 Corrosion resistance of GH2132 alloy fasteners

3 結(jié)論

本文研究了GH2132、GH4169、GH4738三種高溫合金緊固件不同工藝及后處理方法對產(chǎn)品耐酸性鹽霧性能的影響，得出高溫合金真空離子鍍銀層的酸性鹽霧性能與預(yù)鍍層及保護(hù)劑的關(guān)系。

（1）預(yù)鍍層關(guān)系對酸性鹽霧性能的改善效果為：Ep.Ni優(yōu)于Ap.Ni，預(yù)鍍鎳優(yōu)化無預(yù)鍍鎳。

（2）涂覆保護(hù)劑能有效提升緊固件的耐酸性鹽霧性能，效果優(yōu)劣排序為：HTAg-2000防變色劑＞BK保護(hù)劑＞LD-4310保護(hù)劑。