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[摘 要]通过对发动机主要部件材料、表面处理状况分析,确定各部件适应湿热、盐雾大气环境及抗霉菌生长的能力。通过采取一定的防护措施后,材料的防护能力得到明显提升。
[关键词]海洋环境 发动机 三防设计 试验
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)05-0058-01
1. 前言
海洋大气环境下发动机的防护设计即防湿热、防盐雾及抗霉菌生长的“三防”设计[1]。湿热、盐雾和霉菌是典型的海洋气候环境,海上装备的“三防”性能是整机重要技术指标之一,有特定的技术内容和要求。美空军总部对沿海基地使用的产品故障调查、分析结果表明[2]:损坏或故障的产品中52%是由环境因素造成的,其中由温度引起的故障占各环境因素引起故障的40%;振动(含冲击)引起的故障占27%;潮湿引起的故障占19%;盐雾、砂尘、霉菌引起的故障占14%。对同一机种的175架飞机上31种产品连续2年故障统计分析表明:总故障的52%与环境因素有关,其中温度引起的故障占诸环境因素引起故障的55%;振动引起的故障占20%;潮湿占19%,盐霧、砂尘、霉菌占6%。国内沿海区域受霉菌、盐雾、潮湿三个环境因素的影响较为突出,故障率较高。
2. 发动机“三防”能力初步分析
某发动机部件较多的采用了钛合金、高温合金等具有一定防护能力的材料,在热端部件、铝镁附件机匣等易受腐蚀的部件均采用了涂层或镀层。外部导管或支架多采用具有一定抗蚀能力的不锈钢材料,并进行了表面处理,具有一定抗一般大气条件下腐蚀的能力。
2.1 各部件使用材料的情况
对各部件材料使用情况和表面处理状态进行整理,可以将选材大致分为钛合金(TC1、TC6、TC11、TA15、BT18Y等)、高温合金(GH150、GH698、GH4708、GH648、GH3044、K4708、GH4099等)、不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni3、1Cr11Ni2W2MoV等)、铝/镁合金材料(101-T5、铝101、LY12、铝105、ZM6等)。
2.2 各类材料的防护能力分析
钛合金表面稳定的氧化膜具有优异的抗腐蚀性能;选用的高温合金和粉沫冶金为含铬量较高的镍基、钴基或铁基合金,本身抗腐蚀能力较强,且热端部件上涂热障涂层,阻隔高温的同时抑制腐蚀介质(熔盐)发生界面电化学和化学反应,进一步提高此类合金的抗腐蚀性能。因此钛合金、高温合金及粉末冶金的防护性能能够满足海洋性气候。
不锈钢因含有铬元素而使表面形成Cr2O3钝化膜,同时与镍元素结合形成的微观组织使钢具有一定的抗腐蚀能力。但1Cr17Ni3为马氏体材料,1Cr11Ni2W2MoV铬元素含量较低,其抗腐蚀性能有待验证。
镁合金本身的化学和电化学活性较高,耐蚀性较差,因此在实际应用中需对镁合金进行适当的表面处理以增强其抗腐蚀能力。铸镁材料ZM6,尽管已进行涂耐热漆等表面处理,但防腐蚀性能可能仍然不足。铸铝材料ZL204,铸铝、镁合金表面极易受到海洋大气环境中富含的氯离子等物质的腐蚀,故此类合金部件均进行了一定的防腐处理(阳极化、涂漆、钝化镀锌等),使其具有一定的三防能力。
料K424合金,由于Cr含量较低,抗腐蚀能力有可能不足。
3、试验验证
根据零件的表面处理状态、与大气接触程度及几何形状进一步筛选出11件机件,分为两批分别进行湿热、霉菌及盐雾腐蚀试验。试验机件清单见表1:
依据GJB 150.11规定的试验条件进行湿热、霉菌、盐雾腐蚀试验。结果显示:1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、К424、ZM6、ZG1Cr17Ni3材料均通过了湿热和霉菌腐蚀试验;在盐雾腐蚀试验中,1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、К424材料均表面状态良好,ZM6及ZG1Cr17Ni3材料件试验后ZM6壳体表面涂层严重腐蚀,涂层下金属基体出现严重腐蚀,析出大量白色腐蚀物,金属腐蚀面积占试验件面积70%以上,个别部位出现红褐色析出物;ZG1Cr17Ni3支架金属表面有大量红色析出物,个别部位出现红褐色析出物,可见金属基体出现轻微盐雾腐蚀。
4、 改进措施及试验
针对上述试验结果,对抗腐蚀能力不足的ZM6和ZG1Cr17Ni3机件采取在表面施加防护涂层的措施,以加强其抗海洋环境腐蚀的能力,并进行相同条件下的盐雾试验。
4.1、材料防护措施及试验结果
将ZM6材料俄原件涂层损坏的部分用打磨方法去除,按照X31修理工艺对打磨部位重新涂两层涂层,同时用有机硅密封胶对螺桩及机械加工表面在内的全部表面进行处理,对于采用ZG1Cr17Ni3材料且无任何表面防护措施的机件,根据机件使用环境温度要求(约200℃),选用防护涂层为吹砂+钝化+2遍清漆+H61耐热漆作为ZG1Cr17Ni3材料的防护工艺。防护后经过盐雾试验的ZM6壳休机件边缘个别部位涂层薄弱处可见轻微腐蚀,有少量白色析出物,其它部位完好;图6显示防护后的ZG1Cr17Ni3支架机件表面状态良好。两种材料均通过盐雾试验。
4. 结论
三防试验结果表明原ZM6和ZG1Cr17Ni3材料的抗腐蚀能力不足;1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、K424等材料自身或所施加的防护涂层的抗腐蚀能力能够满足海洋环境条件下的使用要求,保持原技术状态使用。重新施加防护涂层和有机硅密封胶的ZM6材料及增加吹砂+钝化+2遍清漆+H61耐热漆防护涂层的ZG1Cr17Ni3材料有效提高了抗盐雾腐蚀能力,满足海洋环境下的使用要求。同时,对上述三种材料重点监控,定期进行相关检查。
参考文献
[1] 李星,王晓慧.舰载电子设备的三防设计[J].机械工程学报,2007(1):83- 85.
[2] C.莱因斯,M.皮特尔斯.钛及钛合金[M].北京:化学工业出版社,2005.
[3] 韩光炜,邓波,杨玉军,何云华,赵雅婷.海洋环境下不同低膨胀高温合金腐蚀能力的比较研究[J].钢铁研究学报,2011(12):
[4] 孙淼.纳米晶304不锈钢腐蚀行为研究[D].沈阳工业大学,2010.
[关键词]海洋环境 发动机 三防设计 试验
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)05-0058-01
1. 前言
海洋大气环境下发动机的防护设计即防湿热、防盐雾及抗霉菌生长的“三防”设计[1]。湿热、盐雾和霉菌是典型的海洋气候环境,海上装备的“三防”性能是整机重要技术指标之一,有特定的技术内容和要求。美空军总部对沿海基地使用的产品故障调查、分析结果表明[2]:损坏或故障的产品中52%是由环境因素造成的,其中由温度引起的故障占各环境因素引起故障的40%;振动(含冲击)引起的故障占27%;潮湿引起的故障占19%;盐雾、砂尘、霉菌引起的故障占14%。对同一机种的175架飞机上31种产品连续2年故障统计分析表明:总故障的52%与环境因素有关,其中温度引起的故障占诸环境因素引起故障的55%;振动引起的故障占20%;潮湿占19%,盐霧、砂尘、霉菌占6%。国内沿海区域受霉菌、盐雾、潮湿三个环境因素的影响较为突出,故障率较高。
2. 发动机“三防”能力初步分析
某发动机部件较多的采用了钛合金、高温合金等具有一定防护能力的材料,在热端部件、铝镁附件机匣等易受腐蚀的部件均采用了涂层或镀层。外部导管或支架多采用具有一定抗蚀能力的不锈钢材料,并进行了表面处理,具有一定抗一般大气条件下腐蚀的能力。
2.1 各部件使用材料的情况
对各部件材料使用情况和表面处理状态进行整理,可以将选材大致分为钛合金(TC1、TC6、TC11、TA15、BT18Y等)、高温合金(GH150、GH698、GH4708、GH648、GH3044、K4708、GH4099等)、不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni3、1Cr11Ni2W2MoV等)、铝/镁合金材料(101-T5、铝101、LY12、铝105、ZM6等)。
2.2 各类材料的防护能力分析
钛合金表面稳定的氧化膜具有优异的抗腐蚀性能;选用的高温合金和粉沫冶金为含铬量较高的镍基、钴基或铁基合金,本身抗腐蚀能力较强,且热端部件上涂热障涂层,阻隔高温的同时抑制腐蚀介质(熔盐)发生界面电化学和化学反应,进一步提高此类合金的抗腐蚀性能。因此钛合金、高温合金及粉末冶金的防护性能能够满足海洋性气候。
不锈钢因含有铬元素而使表面形成Cr2O3钝化膜,同时与镍元素结合形成的微观组织使钢具有一定的抗腐蚀能力。但1Cr17Ni3为马氏体材料,1Cr11Ni2W2MoV铬元素含量较低,其抗腐蚀性能有待验证。
镁合金本身的化学和电化学活性较高,耐蚀性较差,因此在实际应用中需对镁合金进行适当的表面处理以增强其抗腐蚀能力。铸镁材料ZM6,尽管已进行涂耐热漆等表面处理,但防腐蚀性能可能仍然不足。铸铝材料ZL204,铸铝、镁合金表面极易受到海洋大气环境中富含的氯离子等物质的腐蚀,故此类合金部件均进行了一定的防腐处理(阳极化、涂漆、钝化镀锌等),使其具有一定的三防能力。
料K424合金,由于Cr含量较低,抗腐蚀能力有可能不足。
3、试验验证
根据零件的表面处理状态、与大气接触程度及几何形状进一步筛选出11件机件,分为两批分别进行湿热、霉菌及盐雾腐蚀试验。试验机件清单见表1:
依据GJB 150.11规定的试验条件进行湿热、霉菌、盐雾腐蚀试验。结果显示:1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、К424、ZM6、ZG1Cr17Ni3材料均通过了湿热和霉菌腐蚀试验;在盐雾腐蚀试验中,1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、К424材料均表面状态良好,ZM6及ZG1Cr17Ni3材料件试验后ZM6壳体表面涂层严重腐蚀,涂层下金属基体出现严重腐蚀,析出大量白色腐蚀物,金属腐蚀面积占试验件面积70%以上,个别部位出现红褐色析出物;ZG1Cr17Ni3支架金属表面有大量红色析出物,个别部位出现红褐色析出物,可见金属基体出现轻微盐雾腐蚀。
4、 改进措施及试验
针对上述试验结果,对抗腐蚀能力不足的ZM6和ZG1Cr17Ni3机件采取在表面施加防护涂层的措施,以加强其抗海洋环境腐蚀的能力,并进行相同条件下的盐雾试验。
4.1、材料防护措施及试验结果
将ZM6材料俄原件涂层损坏的部分用打磨方法去除,按照X31修理工艺对打磨部位重新涂两层涂层,同时用有机硅密封胶对螺桩及机械加工表面在内的全部表面进行处理,对于采用ZG1Cr17Ni3材料且无任何表面防护措施的机件,根据机件使用环境温度要求(约200℃),选用防护涂层为吹砂+钝化+2遍清漆+H61耐热漆作为ZG1Cr17Ni3材料的防护工艺。防护后经过盐雾试验的ZM6壳休机件边缘个别部位涂层薄弱处可见轻微腐蚀,有少量白色析出物,其它部位完好;图6显示防护后的ZG1Cr17Ni3支架机件表面状态良好。两种材料均通过盐雾试验。
4. 结论
三防试验结果表明原ZM6和ZG1Cr17Ni3材料的抗腐蚀能力不足;1Cr11Ni2W2MoV、ZL104、K424等材料自身或所施加的防护涂层的抗腐蚀能力能够满足海洋环境条件下的使用要求,保持原技术状态使用。重新施加防护涂层和有机硅密封胶的ZM6材料及增加吹砂+钝化+2遍清漆+H61耐热漆防护涂层的ZG1Cr17Ni3材料有效提高了抗盐雾腐蚀能力,满足海洋环境下的使用要求。同时,对上述三种材料重点监控,定期进行相关检查。
参考文献
[1] 李星,王晓慧.舰载电子设备的三防设计[J].机械工程学报,2007(1):83- 85.
[2] C.莱因斯,M.皮特尔斯.钛及钛合金[M].北京:化学工业出版社,2005.
[3] 韩光炜,邓波,杨玉军,何云华,赵雅婷.海洋环境下不同低膨胀高温合金腐蚀能力的比较研究[J].钢铁研究学报,2011(12):
[4] 孙淼.纳米晶304不锈钢腐蚀行为研究[D].沈阳工业大学,2010.