C01型膜盤聯軸器是安裝在某船舶露天甲板上的。在船舶航行過程中,甲板上會濺入大量海水,經過聯軸器兩端的風機作用,膜盤聯軸器服役于高濃度海水鹽霧中,這對膜盤聯軸器上連接螺栓的耐蝕性提出了更高的要求。膜盤材料為TC4鈦合金,因此在考慮螺栓材料耐蝕性的同時,應確保其與TC4鈦合金不會形成明顯的電偶腐蝕。 

15-5PH（0Cr15Ni5Cu4Nb）不銹鋼具有很好的表面光滑性和尺寸穩定性,且加工性能好,力學性能優良,耐一般環境腐蝕[1-3]。15-5PH不銹鋼是在17-4PH不銹鋼的基礎上發展起來的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼,其不僅廣泛應用于航空、航天以及核電等尖端領域,而且在海洋工程設備中（如與各種海水接觸的高壓容器、螺旋槳、傳動軸承和船體的外殼等）的使用也日益增多,因此適合作為高濃度海水鹽霧環境中的緊固件材料[4-6]。C01型膜盤聯軸器緊固件材料為15-5PH不銹鋼,長期運行后多次出現不明原因的腐蝕斷裂現象[7],因此需要尋找適用于高鹽霧環境中的聯軸器材料。15-5PH不銹鋼的力學性能及C01膜盤聯軸器緊固件的力學性能及要求如表1所示,可以看出,15-5PH不銹鋼的力學性能滿足C01膜盤聯軸器的力學性能要求。但15-5PH不銹鋼是否滿足聯軸器的耐蝕性要求,還需要進一步研究。 

目前,關于15-5PH不銹鋼與TC4鈦合金（C01型膜盤聯軸器常用材料）耦合使用時的腐蝕研究相對較少。筆者通過點蝕試驗、縫隙腐蝕試驗、應力腐蝕試驗、疲勞腐蝕試驗、電偶腐蝕試驗和模擬腐蝕試驗等,對15-5PH不銹鋼的耐蝕性進行了研究。以期為15-5PH不銹鋼在高鹽霧環境鈦合金膜盤聯軸器中的應用提供參考。 

1.   試驗

1.1   點蝕試驗

按照GB/T 17897-2016《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》開展點蝕試驗,具體試驗參數如下：試驗溶液為6%（質量分數,下同）FeCl3溶液；試驗時間為72 h；溶液溫度為55 ℃,采用三個平行試樣,見圖1。 

圖  1  點蝕試樣宏觀形貌

Figure  1.  Macrographs of samples after pitting corrosion

1.2   縫隙腐蝕試驗

按照GB/T 10127-2002《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗方法》開展縫隙腐蝕試驗,具體試驗參數如下：試驗溶液為6% FeCl3溶液；試驗時間為72 h；溶液溫度為55 ℃,縫隙腐蝕示意見圖2。 

圖  2  縫隙腐蝕試驗示意

Figure  2.  Schematic diagram of crevice corrosion

1.3   應力腐蝕試驗

按照GB/T 15970.7-2000《金屬和合金的腐蝕　應力腐蝕試驗　第7部分：慢應變速率試驗》開展試驗,具體試驗參數如下：拉伸應變速率為10-6 /s；腐蝕介質為模擬海水溶液（3.5%NaCl溶液）；試驗溫度為室溫。試樣尺寸如圖3所示。 

圖  3  慢應變速率拉伸試樣尺寸

Figure  3.  Dimensions of slow strain rate tensile specimens

1.4   疲勞腐蝕試驗

按照GB/T 20120.2-2006《金屬和合金的腐蝕　腐蝕疲勞試驗　第2部分：預裂紋試樣裂紋擴展試驗》開展試驗,試樣尺寸如圖4所示。疲勞腐蝕試驗參數如下：最大應力360 MPa；最小應力0 MPa；應力頻率10 Hz；最大循環周期106次；腐蝕介質為海水；試驗在常溫下進行。 

圖  4  疲勞腐蝕拉伸試樣尺寸

Figure  4.  Dimensions of tensile specimens for fatigue corrosion

1.5   電偶腐蝕試驗

參考GB/T 15748-2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》開展試驗,使用多通道電偶腐蝕儀記錄電偶腐蝕電位和電流,具體試驗參數如下：腐蝕介質為天然海水；試驗時間為15 d；試驗溫度為室溫。 

2.   結果及討論

2.1   點蝕試驗

由圖5可見：經過點蝕試驗后,15-5PH不銹鋼表面點蝕坑數量較多,且點蝕坑深度較深。點蝕質量損失測量結果表明,三個平行試樣的質量損失相近,平均質量損失為4.571 5 g。點蝕深度統計結果表明：15-5PH不銹鋼的點蝕深度相對較大,見表2。點蝕試驗結果表明15-5PH不銹鋼具有較強的點蝕敏感性,且點蝕坑主要向縱深發展[8-9]。 

圖  5  15-5PH不銹鋼經過點蝕試驗后的表面宏觀形貌

Figure  5.  Macro surface morphology of 15-5PH stainless steel after pitting test before (a) and after (b) acid pickling

2.2   縫隙腐蝕試驗

由圖6可見：人工縫隙處發生了優先腐蝕,其他部位也發生了不同程度的點蝕。縫隙腐蝕質量損失測量結果表明：三個平行試樣的腐蝕質量損失較為接近,平均質量損失為2.633 g,遠小于由點蝕試驗導致的腐蝕質量損失。縫隙腐蝕試驗結果表明15-5PH不銹鋼具有縫隙腐蝕敏感性,實際應用過程中應盡量避免出現這種縫隙工況[10-11]。 

圖  6  15-5PH不銹鋼縫隙腐蝕試驗后的形貌

Figure  6.  Morphology of 15-5PH stainless steel after crevice corrosion test before (a) and after (b) acid pickling

2.3   應力腐蝕試驗

由圖7可見：在空白和海水環境中,15-5PH不銹鋼的應力-位移曲線在彈性階段基本重合,表明海水環境對15-5PH不銹鋼的力學行為沒有顯著影響[12]。 

圖  7  15-5PH不銹鋼的慢拉伸應力-位移曲線

Figure  7.  Stress-displacement curves of 15-5PH stainless steel with slow strain tension

由表3可見：15-5PH不銹鋼的抗拉強度敏感性比值、斷后伸長率敏感性比值和斷口收縮率敏感性比值均接近1,可以認為其在海水中沒有顯著的應力腐蝕敏感性[13]。 

由圖8可見：在兩種試驗環境中,試樣斷口處都發生了較為明顯的頸縮,高倍下可見明顯的韌窩組織,試樣斷裂為典型的韌性斷裂,結合敏感性數據進一步表明15-5PH不銹鋼在海水中沒有顯著的應力腐蝕敏感性。 

圖  8  15-5PH不銹鋼在不同環境中經慢應變拉伸試驗后的斷口微觀形貌

Figure  8.  Microstructure of 15-5PH stainless steel after slow strain tension in blank (a, b) and sea water (c, d) enrironment

2.4   疲勞腐蝕試驗

經過106次的疲勞腐蝕試驗,所有參與測試的試樣均未發生疲勞斷裂。 

圖9是15-5PH不銹鋼在疲勞試驗過程中,有效彈性模量隨循環周期次數的變化情況,可以看出,在整個循環周期內,所有試樣的有效彈性模量都沒有明顯的波動,說明試樣的力學性能沒有受到試驗過程的影響。在給定的疲勞應力工況下,可以認為試樣沒有明顯的疲勞腐蝕敏感性[14-15]。 

圖  9  15-5PH疲勞試樣的有效彈性模量變化

Figure  9.  Change of effective elastic modulus of 15-5PH stainless steel fatigue specimens

2.5   電偶腐蝕試驗

15-5PH不銹鋼與等面積TC4鈦合金耦合后,在海水中浸泡前后的形貌如圖10所示。可以看出,試樣浸泡在海水中的部分表面,較試驗前略暗,但沒有發生明顯的腐蝕。試樣用于固定的位置有少量的腐蝕產物痕跡,酸洗后可以看到腐蝕產物區域存在輕微的腐蝕坑[16]。 

圖  10  15-5PH不銹鋼經15 d電偶腐蝕試驗前后的表面宏觀形貌

Figure  10.  Galvanic corrosion morphology of 15-5PH stainless steel before (a) and after (b) galvanic corrosion for 15 d

由表4可見：15-5PH不銹鋼試樣的腐蝕質量損失較小,其年腐蝕速率小于2 μm[17]。 

圖11為15-5PH不銹鋼與鈦合金的耦合電位和電流變化趨勢,可以看出電流整體較小,但電流和電位都有一定的波動性。 

圖  11  15-5PH不銹鋼與鈦合金耦合電流和電位

Figure  11.  Coupling potential (a) and current (b) between 15-5PH stainless steel and titanium alloy

3.   結論

（1）15-5PH不銹鋼在三氯化鐵溶液中發生了點蝕和縫隙腐蝕,該材料具有點蝕和縫隙腐蝕敏感性。 

（2）15-5PH不銹鋼在海水環境中沒有明顯的應力腐蝕和疲勞腐蝕（當前疲勞應力條件）敏感性。 

（3）15-5PH不銹鋼在海水中與鈦合金耦合時沒有明顯的腐蝕現象,即沒有顯著的電偶腐蝕敏感性。 

（4）15-5PH不銹鋼在海水環境中表現出較為明顯的縫隙腐蝕敏感性。 

（5）在露天的海洋鹽霧環境中,15-5PH不銹鋼可以作為TC4鈦合金膜盤的緊固件,但要注意避免縫隙腐蝕的發生。

文章來源——材料與測試網