與內陸大氣相比,海洋大氣濕度大,含鹽量高,因此材料在海洋大氣環境中更易產生腐蝕[1-5]。海洋大氣中的含鹽粒子沉積在艦載航空發動機壓氣機葉片表面,會產生吸濕潮解作用,增大金屬表面液膜的電導率,加之氯離子自身的強侵蝕性,葉片的電化學腐蝕加劇。此外,在一些工業發達的沿海地區,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腐蝕。在現役海軍飛機發動機維修檢查時發現壓氣機葉片存在明顯的腐蝕現象,葉片級數越高,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生變化,使得壓氣機各項參數偏離設計值,導致流量減小,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。化學鈍化通過硝酸、重鉻酸等氧化劑與金屬表面反應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]研究發現,對金屬材料進行適當的化學鈍化處理能夠改善其耐蝕性。某型艦載航空發動機某級高壓壓氣機葉片由GH2150A鐵基變形高溫合金棒材經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常溫條件下的耐蝕性,還需要考慮其在工作工作狀態（高溫積鹽）的腐蝕行為。 

為了驗證GH2150A葉片在海洋大氣環境中的耐蝕性,以及化學鈍化對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境中的服役提供理論支撐。 

1.   試驗

采用GH2150A和GH2150A+化學鈍化兩種狀態的高壓壓氣機葉片進行試驗,化學鈍化按照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）%（質量分數,下同）NaCl溶液,用硫酸或氫氧化鈉調節其pH為3.5±0.5,單次循環周期為48 h（24 h連續噴霧和24 h干燥）,循環次數為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節溶液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.   結果與討論

2.1   原始態葉片的腐蝕試驗結果

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

圖  1  GH2150A葉片經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熔鹽覆蓋,會發生熱腐蝕。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,經過20 h,600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗后,葉片出現紅色腐蝕斑點,隨著試驗時間的延長,腐蝕斑點增加,經過60 h試驗后,整個葉片發生腐蝕。由圖4可見：600 ℃涂鹽熱腐蝕試驗的前60 h,葉片的平均質量呈增加趨勢,之后（60~100 h）葉片的質量變化不明顯。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物,60 h后腐蝕趨于平穩。 

圖  3  GH2150A葉片經不同時間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  鈍化態葉片經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生綜合作用,產生熱腐蝕。根據SIMONS等提出的硫化-氧化機理模型,堿金屬鹽Na2SO4誘導的熱腐蝕過程由硫化物共晶加速氧化循環進行[9]。雖然600 ℃還未達到沉積鹽膜的熔點,但可在局部區域形成低熔點的金屬氧化物-金屬硫酸鹽共晶或低熔點復合硫酸鹽,從而導致低溫熱腐蝕[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,但其在暫態氧化階段生成的Fe氧化物會轉變為硫酸鹽,并與表面涂覆的NaCl+Na2SO4鹽層反應,形成低熔點的Na-Fe熔融復合硫酸鹽,這種熔鹽一旦形成,Fe和Cr都將參加反應,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物覆蓋,開始進入穩態階段,60 h后葉片質量變化不明顯。 

2.2   鈍化態葉片的腐蝕試驗結果

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

圖  5  鈍化態葉片經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,鈍化態葉片經過20 h涂鹽熱腐蝕試驗,出現紅色腐蝕斑點,并隨著試驗時間的延長,腐蝕加重,經過60 h腐蝕后,整個葉片均被腐蝕。由表3可見：鈍化態葉片在試驗前期（0~60 h）的平均質量呈增加趨勢,試驗超過60 h后,質量變化減緩,表明試驗的前60 h為鈍化態葉片加速腐蝕階段,此時葉片表面形成大量腐蝕產物,60 h之后腐蝕趨于平穩。 

圖  6  鈍化態葉片經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

對兩種狀態葉片經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量損失,結果表明GH2150A葉片的質量損失為0.007 6 g,鈍化態試樣的質量損失較小,為0.005 1 g。化學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20 h涂鹽熱腐蝕后試樣的質量變化可見,鈍化態葉片比原始態葉片的腐蝕質量增加小,說明葉片經化學鈍化后,腐蝕相對較輕,然而,化學鈍化對試樣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.   結論

GH2150A和GH2150A+化學鈍化兩種狀態的高壓壓氣機葉片經過192 h酸性鹽霧和680 h酸性大氣試驗后,均未出現明顯的腐蝕現象,具有良好的耐酸性鹽霧和酸性大氣腐蝕性能。而這兩種葉片經過20 h涂鹽熱腐蝕試驗后均出現紅色腐蝕斑點,60 h后整個葉片均被腐蝕,其中,經過化學鈍化的葉片經100 h試驗后,堿洗質量損失較原始態葉片更小,即化學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鈍化工藝優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