GH901高溫合金在典型海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為

王琳，郁大照，于向財，胡家林

GH901高溫合金在典型海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為

王琳，郁大照，于向財，胡家林

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺 264001）

研究南沙島礁典型海洋大氣環(huán)境對GH901高溫合金腐蝕行為的影響。在南沙美濟礁典型環(huán)境中開展GH901高溫合金大氣暴露試驗，利用金相顯微鏡分析GH901高溫合金在我國南沙美濟礁典型環(huán)境中的腐蝕特征，定期測試該材料的拉伸強度，分析樣品的外觀和微觀形貌。自然暴露1 a，GH901高溫合金拉伸試樣基體表面尚未發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，在575 ℃高溫力學(xué)測試條件下的抗拉強度、斷后伸長略有波動，其高溫力學(xué)性能并未在短期自然暴露中隨試驗時間的延長而明顯變化。GH901高溫合金拉伸試樣在島礁大氣環(huán)境短期暴露下具有良好的耐蝕性，在575 ℃溫度條件下具有良好的力學(xué)性能穩(wěn)定性。

GH901高溫合金；大氣腐蝕；南沙島礁大氣環(huán)境

南海地區(qū)嚴酷的自然環(huán)境對金屬材料的使用帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。目前對于金屬腐蝕的研究常采用自然環(huán)境試驗的方法，它可以直觀地反映金屬材料使用的實際情況，因而在研究大氣腐蝕中得到了廣泛的應(yīng)用[1-9]。學(xué)者們對金屬材料在自然環(huán)境試驗腐蝕進行了大量的研究。Subramanian等[10]對熱帶海洋大氣環(huán)境中3004系列鋁和銅的電化腐蝕行為進行了研究。駱晨等[11]對第三代鋁鋰合金2297-T87在6個自然環(huán)境試驗站戶外暴露后的腐蝕質(zhì)量損失、腐蝕速率、腐蝕深度、拉伸性能進行了分析，綜合評價了各地區(qū)大氣腐蝕性。朱玉琴等[12]從宏微觀腐蝕形貌、靜態(tài)力學(xué)性能、斷裂韌度、疲勞裂紋擴展速率方面研究了TC18鈦合金在海洋大氣環(huán)境下暴露6 a的腐蝕行為。趙全成等[13]研究了濕熱海洋、干熱沙漠2種典型大氣環(huán)境對7A85鋁合金腐蝕行為的影響。唐慶云等[14]研究了可伐合金4J29在熱帶島礁環(huán)境下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)腐蝕機理主要是合金中的金屬元素發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并生成了金屬氧化物，較高的溫度和濕度會顯著加快腐蝕速度?；佧惖萚15]采用疲勞試驗機、掃描電子顯微鏡對TC21鈦合金在2種腐蝕環(huán)境以及室溫空氣環(huán)境下的疲勞進行了研究。方曉祖等[16]通過海南萬寧試驗站7 a的環(huán)境試驗，積累了7A52鋁合金1～7 a的海洋大氣環(huán)境暴露試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)了7A52鋁合金海洋大氣環(huán)境試驗腐蝕規(guī)律，擬合了海洋大氣腐蝕質(zhì)量損失曲線，開展了室內(nèi)加速試驗和相關(guān)性分析工作。

本文的研究對象為GH901高溫合金，是以Fe-43Ni-12Cr為基，加入鈦、鋁及鉬等強化元素的奧氏體型失效硬化合金，并含有微量的硼和較低的碳，以亞穩(wěn)的γ'[Ni3(Ti,Al)]相彌散強化。微量的鋁可抑制γ'相向η-Ni3Ti相的轉(zhuǎn)化，合金在650 ℃以下具有較高的屈服強度和耐持久強度，760 ℃以下抗氧化性良好，長期使用組織穩(wěn)定。該合金是早期發(fā)展較成熟的合金，廣泛用于制造在650 ℃以下工作的航空及地面燃氣渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)動盤形件（渦輪盤、氬氣機盤、軸頸等）、靜結(jié)構(gòu)、渦輪外環(huán)緊固件等零部件。目前有學(xué)者報道了關(guān)于GH901高溫合金性能的研究工作[17-21]，但并未涉及在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為。由于裝備發(fā)展提出了全天候、多地域的服役要求，研究GH901高溫合金在我國典型自然大氣環(huán)境下的腐蝕性能變得非常迫切。本文以GH901高溫合金為研究對象，通過在具有南沙島礁大氣環(huán)境特征的美濟礁開展自然環(huán)境試驗，研究了該合金在典型海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為（大氣腐蝕性能），研究結(jié)果可為該合金在航空航天裝備中的工程應(yīng)用提供一定的參考價值。

1 試驗

1.1 試樣

GH901高溫合金試樣材料的化學(xué)組分見表1。試驗用GH901高溫合金試樣的熱處理工藝為：固溶(1 090±10) ℃，保溫2～3 h，水冷或油冷；時效處理(775±5) ℃，保溫4 h；空冷700～720 ℃，保溫24 h；空冷。

表1 GH901高溫合金化學(xué)組分（質(zhì)量指數(shù)）

Tab.1 Chemical composition of GH901 superalloy (mass fraction) %

GH901高溫合金拉伸試樣共3組，每組2件，標(biāo)稱規(guī)格為1=180 mm、0=40 mm、0=7 mm，檢測拉伸樣表面及力學(xué)性能，檢測周期為3、6、12個月。在實驗室環(huán)境條件下（溫度為20 ℃，相對濕度為70%），檢查拉伸試樣的標(biāo)距部位是否出現(xiàn)明顯劃痕、裂紋等問題。測試并記錄每一拉伸試樣初始的標(biāo)距長度0、標(biāo)距段直徑0以及試樣總長度1等尺寸，見表2。

1.2 環(huán)境條件

為分析南沙島礁環(huán)境條件對GH901高溫合金腐蝕及其力學(xué)性能的影響，選取的自然環(huán)境試驗場所為美濟礁試驗站。美濟礁試驗站的氣候為熱帶海洋性季風(fēng)氣候，根據(jù)該試驗站的氣象記錄，得到該島礁的溫濕度、降雨量和氯離子沉積速率的變化趨勢，分別如圖1—3所示。

表2 GH901高溫合金試樣初始尺寸

Tab.2 Initial size of GH901 superalloy specimen

1.3 試驗方法

本文采用的自然環(huán)境試驗方法參照GJB8893.2—2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗方法第2部分：戶外大氣自然環(huán)境試驗》執(zhí)行。在美濟礁暴露場投放試驗樣品，戶外暴露試驗總周期為1 a。定期檢測和記錄GH901高溫合金試驗樣品的外觀腐蝕情況和力學(xué)性能變化。美濟礁暴露場試驗環(huán)境見圖4，試驗樣品的投放照片見圖5。

圖1 溫濕度變化趨勢

圖2 降雨量變化趨勢

圖3 氯離子沉積速率變化趨勢

試樣的性能評定方法如下：

1）外觀檢查。采用目測或10×放大鏡，觀測不同自然環(huán)境試驗周期后GH901高溫合金的表面腐蝕形貌和腐蝕程度等。

圖4 美濟礁試驗站暴露場

圖5 試驗樣品投放

2）力學(xué)性能測試。每個試驗周期后，采用MTS Landmark 370疲勞試驗機，參考GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》對試驗后的GH901高溫合金試樣進行高溫力學(xué)性能測試，測試溫度為575 ℃，應(yīng)變速率為0.003 min?1。測試并記錄GH901高溫合金試樣的抗拉強度和斷后伸長率，測試過程如圖6所示。

圖6 拉伸試驗過程

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 表觀性能

在試驗1、3、6、9、12個月后，分別對試樣的外觀進行檢查，并對外觀變化進行拍照記錄，合金試樣的外觀變化情況如圖7所示。

圖7 合金試樣的外觀變化

從外觀檢測結(jié)果可以看出，隨著自然暴露試驗時間的增加，GH901高溫合金試樣表面僅有少量灰層和雜質(zhì)等附著，擦拭掉表面的附著物后，未發(fā)現(xiàn)其合金基體表面有明顯腐蝕現(xiàn)象。一方面，自然環(huán)境試驗時間相對較短，雖然南海島礁的溫濕度、降水和氯離子沉降等環(huán)境因素較為惡劣，但1 a的暴露試驗時間尚未對GH901高溫合金表面造成明顯的腐蝕影響；另一方面，表明GH901高溫合金本身在較短時間的自然環(huán)境試驗中具有良好的耐蝕性。

2.2 力學(xué)性能

在每個試驗周期后對試樣的抗拉強度、斷后伸長率進行測試分析，溫度為575 ℃，試驗應(yīng)力比=0.1，試驗波形為方波，試驗峰值保載時間為30 s，應(yīng)變速率為0.003 min?1，試驗應(yīng)力水平分別為700、800 MPa。GH901高溫合金試樣的疲勞斷裂見圖8，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。

從測試數(shù)據(jù)可以看出，不同暴露時間后的試樣在575 ℃高溫力學(xué)測試條件下的抗拉強度、斷后伸長率略有波動，隨試驗時間的延長，其高溫力學(xué)性能整體變化不明顯。造成高溫測試條件下的測試數(shù)據(jù)波動的主要原因是不同周期試驗樣品的個體差異。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品的斷口進行分析，微觀形貌如圖9和圖10所示。

圖8 疲勞斷裂的試樣

表3 力學(xué)性能檢測結(jié)果

Tab.3 Test results of mechanical properties

圖10 575 ℃-800 MPa下樣品的斷口形貌

樣品的低周疲勞斷口均是由裂紋萌生、裂紋擴展和裂紋失穩(wěn)擴展直至瞬時斷裂這3個階段構(gòu)成。在圖9和圖10中，樣品疲勞斷口的宏觀形貌均較為粗糙，裂紋均萌生于樣品的表面處或次表面的疏松處，在所有試驗條件下，裂紋擴展區(qū)的微觀形貌均為準解理擴展形貌，在裂紋的瞬斷區(qū)均呈現(xiàn)韌窩斷裂形貌。

3 結(jié)論

1）GH901高溫合金拉伸試件在美濟礁戶外暴露1 a后，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，表明該合金短期內(nèi)（1 a）在南海島礁海洋大氣環(huán)境中具有良好的耐蝕性。

2）戶外暴露試件在575 ℃條件下的力學(xué)性能（抗拉強度、斷后伸長率）變化不明顯，表明短期內(nèi)（1 a）南海島礁海洋大氣環(huán)境尚未對GH901高溫合金的高溫力學(xué)性能造成顯著影響。

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Corrosion Behavior of GH901 Superalloy in Typical Marine Atmospheric Environment

WANG Lin, YU Da-zhao, YU Xiang-cai, HU Jia-lin

(School of Basic Sciences for Aviation, Naval Aviation University, Shandong Yantai 264001, China)

The work aims to studythe effect of typical marine atmospheric environment in Nansha Islands on corrosion behavior of GH901 superalloy. The atmospheric exposure test of GH901 superalloy was carried out in a typical environment of Mischief Reef in Nansha and the corrosion characteristics of GH901 superalloy were analyzed by metallographic microscope. The tensile strength of the material was tested periodically and the appearance and morphology of the specimen were analyzed. After one year of atmospheric exposure, there was no obvious corrosion on the matrix surface of GH901 superalloy tensile specimen. The tensile strength and elongation at break fluctuated slightly under the condition of high temperature mechanical test at 575 ℃, but the mechanical properties at high temperature did not change obviously with the extension of test time in short-term natural exposure. GH901 superalloy tensile specimen has good corrosion resistance and good mechanical property stability at 575 ℃ after short-term island atmospheric exposure.

GH901 superalloy; atmospheric corrosion; atmospheric environment of Nansha Islands

TG172

A

1672-9242(2023)01-0052-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.008

2021–11–09；

2021-11-09；

2022–02–18

2022-02-18

王琳（1980—），男，碩士，講師，主要研究方向為飛機的腐蝕防護與控制。

WANG Lin (1980-), Male, Master, Lecturer, Research focus: corrosion protection and control of aircraft.

王琳, 郁大照, 于向財, 等. GH901高溫合金在典型海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(1): 052-058.

WANG Lin, YU Da-zhao, YU Xiang-cai, et al.Corrosion Behavior of GH901 Superalloy in Typical Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 052-058.

責(zé)任編輯：劉世忠