分享：艦載航空發(fā)動機用GH2150A壓氣機葉片的耐蝕性

與內(nèi)陸大氣相比,海洋大氣濕度大,含鹽量高,因此材料在海洋大氣環(huán)境中更易產(chǎn)生腐蝕[1-5]。海洋大氣中的含鹽粒子沉積在艦載航空發(fā)動機壓氣機葉片表面,會產(chǎn)生吸濕潮解作用,增大金屬表面液膜的電導(dǎo)率,加之氯離子自身的強侵蝕性,葉片的電化學(xué)腐蝕加劇。此外,在一些工業(yè)發(fā)達的沿海地區(qū),大氣中還含有SO2、Cl2、CO2、CO和氮氧化物等污染物,這進一步加劇了葉片的電化學(xué)腐蝕。在現(xiàn)役海軍飛機發(fā)動機維修檢查時發(fā)現(xiàn)壓氣機葉片存在明顯的腐蝕現(xiàn)象,葉片級數(shù)越高,表面紅銹越明顯。壓氣機葉片不斷遭受海洋大氣的腐蝕影響,其葉形、表面粗糙度以及葉頂間隙會發(fā)生變化,使得壓氣機各項參數(shù)偏離設(shè)計值,導(dǎo)致流量減小,效率下降,性能衰退[6-7]。因此有必要對葉片材料的耐蝕性及防腐蝕措施進行研究?；瘜W(xué)鈍化通過硝酸、重鉻酸等氧化劑與金屬表面反應(yīng)生成一層薄而致密且覆蓋性良好的保護膜層,阻礙或減緩了金屬制件在服役過程中的腐蝕。詹中偉等[8]研究發(fā)現(xiàn),對金屬材料進行適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)鈍化處理能夠改善其耐蝕性。某型艦載航空發(fā)動機某級高壓壓氣機葉片由GH2150A鐵基變形高溫合金棒材經(jīng)精鍛后機械加工而成,葉片需要承受前端的高壓、高溫壓縮空氣的沖刷。因此,除了保障其在非工作態(tài)常溫條件下的耐蝕性,還需要考慮其在工作工作狀態(tài)（高溫積鹽）的腐蝕行為。 

為了驗證GH2150A葉片在海洋大氣環(huán)境中的耐蝕性,以及化學(xué)鈍化對GH2150A葉片的防護作用,開展了192 h酸性鹽霧試驗、680 h酸性大氣試驗以及100 h高溫（600 ℃）涂鹽熱腐蝕試驗,以期為該型號葉片在海洋環(huán)境中的服役提供理論支撐。 

1.   試驗

采用GH2150A和GH2150A+化學(xué)鈍化兩種狀態(tài)的高壓壓氣機葉片進行試驗,化學(xué)鈍化按照HBZ 83-1984《不銹鋼酸洗鈍化處理工藝》進行[7]。試驗項目和試樣數(shù)量如表1所示。 

酸性鹽霧試驗按GJB 150.11A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》進行,試驗儀器為Q-FOG型鹽霧試驗箱。鹽霧制備采用（5±1）%（質(zhì)量分數(shù),下同）NaCl溶液,用硫酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)其pH為3.5±0.5,單次循環(huán)周期為48 h（24 h連續(xù)噴霧和24 h干燥）,循環(huán)次數(shù)為4次（共計192 h）。 

酸性大氣試驗按GJB 150.28-2009《不銹鋼酸洗鈍化處理工藝》進行,采用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH為3.5±0.5,試驗溫度為（35±2）℃,溶液沉降率（80 cm2試片）為（1~3）mL/h,單次循環(huán)周期為噴霧2 h、貯存7 d,共進行4個周期（680 h）[9]。 

600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗按HB 20401-2016《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法　第11部分：鹽霧試驗》進行,試驗用鹽為5%NaCl+95%Na2SO4,鹽在試樣表面的沉積量為（30±5）g/m2,采用DC-B8/11型智能箱式高溫爐保溫20 h后取出冷卻,水洗去除表面鹽,干燥后稱量,然后重新涂鹽進行下一周期試驗,共計5個周期（100 h）。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   原始態(tài)葉片的腐蝕試驗結(jié)果

由圖1和2可見：經(jīng)過192 h酸性鹽霧試驗后,GH2150A葉片（原始態(tài)葉片）表面無明顯變化；經(jīng)過680 h酸性大氣腐蝕試驗后,原始態(tài)葉片表面也無明顯變化。上述試驗結(jié)果表明：GH2150A葉片經(jīng)過酸性鹽霧或酸性大氣腐蝕后,表面未出現(xiàn)腐蝕,表現(xiàn)出良好的耐酸性鹽霧和酸性大氣腐蝕性能。 

圖  1  GH2150A葉片經(jīng)192 h酸性鹽霧腐蝕試驗前后的表面宏觀形貌

Figure  1.  Surface macromorphology of GH2150A blade basins (a, c) and blade backs (b, d) before and after 192 h of acid salt spray corrosion test

圖  2  GH2150A葉片經(jīng)過680 h酸性大氣腐蝕試驗前后的表面宏觀形貌

Figure  2.  Surface macromorphology of GH2150A blade basins (a, c) and blade backs (b, d) before and after 680 h of acidic atmospheric corrosion test

GH2150A葉片的工作溫度約為600 ℃,當(dāng)腐蝕性鹽類沉積在此類熱端部件上時,葉片表面將被一層離子態(tài)熔鹽覆蓋,會發(fā)生熱腐蝕。因此,按照HB 20401-2016《涂鹽熱腐蝕試驗方法》對GH2150A葉片進行600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗,探究葉片的腐蝕情況。由圖3可見：試驗前,葉片表面呈金屬光澤,經(jīng)過20 h,600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗后,葉片出現(xiàn)紅色腐蝕斑點,隨著試驗時間的延長,腐蝕斑點增加,經(jīng)過60 h試驗后,整個葉片發(fā)生腐蝕。由圖4可見：600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗的前60 h,葉片的平均質(zhì)量呈增加趨勢,之后（60~100 h）葉片的質(zhì)量變化不明顯。這是因為試驗前期（0~60 h）,GH2150A葉片的腐蝕處于加速階段,葉片表面形成大量腐蝕產(chǎn)物,60 h后腐蝕趨于平穩(wěn)。 

圖  3  GH2150A葉片經(jīng)不同時間600℃涂鹽熱腐蝕試驗后的表面形貌

Figure  3.  Surface morphology of GH2150A blade basins (a, c, e, g, i, k) and blade backs (b, d, f, h, j, l) after 600 ℃ salt coating hot corrosion test for different periods of time

圖  4  鈍化態(tài)葉片經(jīng)192 h酸性鹽霧腐蝕試驗前后的表面宏觀形貌

Figure  4.  Surface macromorphology of passivated blade basins (a, c) and blade backs (b, d) before and after 192 h acid salt spray corrosion test

GH2150A葉片在涂鹽后的保溫過程中,葉片與表面的沉積鹽及周圍工作氣體發(fā)生綜合作用,產(chǎn)生熱腐蝕。根據(jù)SIMONS等提出的硫化-氧化機理模型,堿金屬鹽Na2SO4誘導(dǎo)的熱腐蝕過程由硫化物共晶加速氧化循環(huán)進行[9]。雖然600 ℃還未達到沉積鹽膜的熔點,但可在局部區(qū)域形成低熔點的金屬氧化物-金屬硫酸鹽共晶或低熔點復(fù)合硫酸鹽,從而導(dǎo)致低溫?zé)岣g[10]。GH2150A葉片為Fe-Ni-Cr沉淀硬化型高溫合金,在試驗條件下可生成Cr2O3保護層,但其在暫態(tài)氧化階段生成的Fe氧化物會轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁},并與表面涂覆的NaCl+Na2SO4鹽層反應(yīng),形成低熔點的Na-Fe熔融復(fù)合硫酸鹽,這種熔鹽一旦形成,Fe和Cr都將參加反應(yīng),Cr2O3保護層遭到破壞,因此在試驗20 h時可以觀察到葉片表面局部出現(xiàn)紅色腐蝕斑點,葉片進入加速腐蝕階段。隨著表層金屬逐漸被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,開始進入穩(wěn)態(tài)階段,60 h后葉片質(zhì)量變化不明顯。 

2.2   鈍化態(tài)葉片的腐蝕試驗結(jié)果

由圖4和5可見：經(jīng)過192 h酸性鹽霧試驗后,鈍化態(tài)葉片表面基本無變化；經(jīng)過680 h酸性大氣試驗后,鈍化態(tài)葉片表面也無明顯變化,即鈍化態(tài)葉片經(jīng)過酸性鹽霧或酸性大氣后,表現(xiàn)出良好的耐酸性鹽霧和酸性大氣腐蝕性能。 

圖  5  鈍化態(tài)葉片經(jīng)酸性大氣腐蝕試驗前后的表面宏觀形貌

Figure  5.  Surface macromorphology of passivated blades basins (a, c) and blade backs (b, d) before and after acidic atmospheric corrosion test

由圖6可見：與GH2150A葉片相似,鈍化態(tài)葉片經(jīng)過20 h涂鹽熱腐蝕試驗,出現(xiàn)紅色腐蝕斑點,并隨著試驗時間的延長,腐蝕加重,經(jīng)過60 h腐蝕后,整個葉片均被腐蝕。由表3可見：鈍化態(tài)葉片在試驗前期（0~60 h）的平均質(zhì)量呈增加趨勢,試驗超過60 h后,質(zhì)量變化減緩,表明試驗的前60 h為鈍化態(tài)葉片加速腐蝕階段,此時葉片表面形成大量腐蝕產(chǎn)物,60 h之后腐蝕趨于平穩(wěn)。 

圖  6  鈍化態(tài)葉片經(jīng)600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗前后的表面形貌

Figure  6.  Surface morphology of passivated bladesblade basins (a, c, e, g, i, k) and blade backs (b, d, f, h, j, l) before and after 600 ℃ salt coating hot corrosion test

對兩種狀態(tài)葉片經(jīng)涂鹽熱腐蝕試驗后的試樣進行堿洗,并測量堿洗后試樣的平均質(zhì)量損失,結(jié)果表明GH2150A葉片的質(zhì)量損失為0.007 6 g,鈍化態(tài)試樣的質(zhì)量損失較小,為0.005 1 g?；瘜W(xué)鈍化處理可以使金屬表面形成一層鈍化膜[11-12],在一定程度上阻礙了腐蝕。此外,對比表2和表3中經(jīng)20 h涂鹽熱腐蝕后試樣的質(zhì)量變化可見,鈍化態(tài)葉片比原始態(tài)葉片的腐蝕質(zhì)量增加小,說明葉片經(jīng)化學(xué)鈍化后,腐蝕相對較輕,然而,化學(xué)鈍化對試樣600 ℃涂鹽熱腐蝕的防護作用有限,不能起到明顯的防護效果。 

3.   結(jié)論

GH2150A和GH2150A+化學(xué)鈍化兩種狀態(tài)的高壓壓氣機葉片經(jīng)過192 h酸性鹽霧和680 h酸性大氣試驗后,均未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象,具有良好的耐酸性鹽霧和酸性大氣腐蝕性能。而這兩種葉片經(jīng)過20 h涂鹽熱腐蝕試驗后均出現(xiàn)紅色腐蝕斑點,60 h后整個葉片均被腐蝕,其中,經(jīng)過化學(xué)鈍化的葉片經(jīng)100 h試驗后,堿洗質(zhì)量損失較原始態(tài)葉片更小,即化學(xué)鈍化可以在一定程度上阻礙腐蝕,但防護效果有限。要獲得良好的涂鹽腐蝕防護性能,需要進一步開展化學(xué)鈍化工藝優(yōu)化和耐腐蝕涂層的研究,以滿足GH2150A壓氣機葉片在工作條件下的防護要求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)