鎧裝加熱絲腐蝕失效分析

秦鵬

摘要：鎧裝加熱絲是航天器上重要熱控材料之一，B批次鎧裝加熱絲鹽霧試驗不足24小時即腐蝕失效，本文通過試驗確認(rèn)失效與加熱絲表面黑斑相關(guān)，進(jìn)而運用金相組織觀察、EDS成分分析和XRD分析，確定表面黑斑形成原因和腐蝕機(jī)理。

關(guān)鍵詞：鎧裝加熱絲；黑斑腐蝕；腐蝕機(jī)理；黑斑產(chǎn)生原因

鎧裝加熱絲是航天器上重要熱控材料之一，其耐蝕性直接影響鎧裝加熱絲在存儲和服役過程中的可靠性。鹽霧試驗是評價耐蝕性能的重要方式，按照GB/T10125進(jìn)行240小時鹽霧試驗，同一批次18根樣品均不發(fā)生銹蝕判定合格。

B批次鎧裝加熱絲鹽霧試驗的第一銹點時間小于24小時，通過鹽霧前后外觀對比發(fā)現(xiàn)，試驗前表面有黑斑帶的樣品全部在24小時鹽霧試驗后生銹。進(jìn)一步對比試驗表明鎧裝加熱絲的失效與表面黑斑直接相關(guān)，EDS能譜分析表明黑斑與非黑斑區(qū)域Cr含量差異巨大，加熱絲表面沒有形成均一、穩(wěn)定的鈍化膜，而且因成分的不同導(dǎo)致電位相差很大，從而加速了鎧裝加熱絲的腐蝕。

鎧裝加熱絲的工藝流程包括：原材料的準(zhǔn)備→裝管→拉伸→退火→酸洗/鈍化→檢查→包裝，可能引發(fā)黑斑帶的流程為：原材料的選擇、拉伸/退火和酸洗。為探究黑斑形成原因進(jìn)行了一系列試驗。

1不銹鋼管材（原料）

選取歷經(jīng)1440小時鹽霧試驗后仍未生銹的A批次鎧裝加熱絲與失效的B批次進(jìn)行金相組織對比分析。

對比兩個批次所用套管的軸向和徑向組織，B批次的晶粒更加細(xì)小均勻，碳化物分布更彌散，軸向與徑向的差異更小。資料顯示晶粒越細(xì)，形變不均勻性越小，引起的應(yīng)力集中也越小，從而開裂的風(fēng)險也越小，在斷裂前可承受更大的形變量，即面縮率或伸長率越大，在強(qiáng)度和范性同時增加的條件下，韌性越好[1]。所以，B批次所用不銹鋼套管的屈服強(qiáng)度、塑性和韌性較A批次所用套管更好，可以排除黑斑是套管固有組織這一可能性。

2拉伸/退火工序

不銹鋼套管在拉伸/退火時可能引發(fā)易腐蝕相的生成，另外退火不完全造成的殘余應(yīng)力也有利于點蝕形核，所以對B批次和A批次鎧裝加熱絲進(jìn)行了金相組織制備，觀察對比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過拉伸/退火工序后，不銹鋼包皮已經(jīng)明顯成為兩相組織，并且新相沿拉伸方向呈條狀分布，數(shù)量很多。為了進(jìn)一步確定殘余應(yīng)力情況和新相組成及其數(shù)量，進(jìn)行XRD檢測。

XRD檢測結(jié)果表明：

1）對比標(biāo)準(zhǔn)卡片，2q無明顯偏差，說明退火后應(yīng)力消除完全；

2）經(jīng)拉伸/退火后，形成是奧氏體、鐵素體共存組織。

由于鐵素體相與奧氏體基體之間化學(xué)成分、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性等方面的差異，鐵素體的出現(xiàn)一般都對奧氏體不銹鋼的性能帶來不利的影響：如使熱加工產(chǎn)生裂紋的傾向性增大，導(dǎo)致鋼的耐點蝕性下降，以及在很多腐蝕環(huán)境中耐蝕性劣化[2，3]。然而對比A、B批次鎧裝加熱絲，金相組織形貌無明顯區(qū)別，均為奧氏體-鐵素體兩相共存。拉伸工序形成的鐵素體組織并非產(chǎn)生黑斑帶、導(dǎo)致耐受性劣化的主要原因。

3酸洗/鈍化工序

酸洗/鈍化工序是清除金屬表面疏松氧化膜，并形成一層完整致密氧化膜，以防止金屬表面腐蝕的措施之一，氧化膜保護(hù)性能好壞，首先取決于膜的完整性；其次，還受膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。不銹鋼表面因各種原因形成的疏松氧化物有害無益，需要及時去除，才能保持表面光潔，延長零件使用壽命[4]。

而參照生產(chǎn)廠家的工藝流程，可以看到酸洗/鈍化工序是在一個溶液中先后進(jìn)行的。

表1 未酸洗鎧裝加熱絲和黑斑區(qū)域成分對比

Element （Wt%） Cr Fe Ni

未酸洗 37.4 18.1 2.4

有黑斑試樣 黑斑區(qū)域 48.7 8.1 0.1

鄰近的非黑斑區(qū)域 9.2 67.8 8.8

對未酸洗鎧裝加熱絲進(jìn)行的EDS成分分析表明，未經(jīng)酸洗的氧化皮是一層黑色的疏松物質(zhì)，與黑斑帶相似都是Cr含量很高，觀察黑斑帶全部沿軸向分布。綜合分析黑斑帶的產(chǎn)生機(jī)理是，鎧裝加熱絲在酸洗沒有完全清除氧化皮時就開始了鈍化過程，于是造成：

1）氧化皮殘留區(qū)域電位較負(fù)，發(fā)生過鈍化：Fe、Ni氧化物過度溶解，形成高Cr、低Fe、Ni的黑斑；

2）鄰近的非黑斑區(qū)域電位較正，發(fā)生欠鈍化：Fe、Ni氧化物溶解量少，造成低Cr、高Fe、Ni ；

3）黑斑帶沿徑向分布的原因是：酸洗過程中鎧裝加熱絲之間容易發(fā)生接觸，接觸面與酸洗液接觸受阻，沿接觸面氧化皮未完全酸洗掉。

4結(jié)論

引起鎧裝加熱絲鹽霧試驗失效的黑斑產(chǎn)生原因是：酸洗/鈍化為一道工序，氧化皮未酸洗清除干凈時就進(jìn)入了鈍化環(huán)節(jié)，造成了氧化皮殘留處的過鈍化、鄰近區(qū)域的欠鈍化，導(dǎo)致鎧裝絲表面沒有形成均一、穩(wěn)定的鈍化膜。廠家接收建議，將酸洗、鈍化工序分別進(jìn)行后此問題徹底得到解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳天玉.不銹鋼表面處理技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]嚴(yán)彪等編著.不銹鋼手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]李虎興等編著.冷軋窄帶鋼生產(chǎn).北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[4]胡正前，張久華.不銹鋼表面氧化皮的清除.表面技術(shù)，1997，26（5）：20～21.endprint