某型發動機二級渦輪導向器葉片料漿滲鋁腐蝕分析及工藝方法改進

侯磊 宋新英 劉瑤 劉歡歡

摘要：針對料漿滲鋁過程中ЖC6Y葉片出現批量性腐蝕的情況，通過對加工流程檢查、故障件宏觀檢查、金相分析等方法，確定腐蝕故障機理，并對分析結果進行試驗驗證，提出相應解決措施。

關鍵詞：發動機;二級渦輪導向器葉片;滲鋁腐蝕

滲鋁是通過物理或化學的方法把鋼和介質加熱到一定溫度，使鋁原子滲入并擴散到鋼材基體的過程。航空發動機葉片通過滲鋁可在葉片表面形成鋁化物涂層，在高溫作用下形成連續致密穩定的Al203氧化膜，提高葉片的抗氧化性和抗熱腐蝕性。

1 故障描述

某型發動機二級渦輪導向器葉片采用料漿滲鋁恢復滲鋁層，一次滲鋁深度不合格時，濕吹沙后，返工補滲一次后在葉身表面產生了嚴重的腐蝕。該葉片材料為ЖC6Y，圖樣規定滲鋁層深度為0.025～ 0.070mm。

2 故障檢查與分析

2.1 故障件檢查

葉片滲鋁修理的流程為：吹砂——除舊滲層——濕吹砂——噴料漿——滲鋁——濕吹砂。本批產品一次滲鋁深度不合格后，返工處理時未除舊滲層，濕吹砂后按正常滲鋁料漿噴涂厚度噴涂料漿后補滲，返工滲鋁濕吹砂清理后發現葉片局部表面出現鼓包、表面凹凸（見圖1），局部出現金屬珠等表面異常狀態（見圖2），隨后采用化學方法除掉滲鋁層，除掉滲鋁層后發現葉片局部表面出現大量腐蝕坑（見圖3）。

2.2 理化分析

除鋁回火后宏觀檢查發現，葉片表面總體呈灰黃色，葉片進排氣邊附近和葉盆大部分區域出現點狀腐蝕坑，部分腐蝕坑中存在點狀殘留物凸起（見圖4）。

微觀檢查發現，葉片基體組織主要為Y和Y+Y共晶組織，屬葉片正常）KC6Y合金組織。葉片表面腐蝕坑處顯微組織為Y和Y+Y共晶，葉片腐蝕坑附近顯微組織正常。

對葉片進行理化分析檢查：

1）在葉背選取兩處腐蝕坑，分別在葉片基體、腐蝕坑坑底、腐蝕坑中間凸起處進行能譜分析。葉背表面腐蝕坑處能譜分析表明，腐蝕坑底存在含S元素的腐蝕產物。腐蝕坑中的小點為含氧、高鋁的化合物，應為葉片原滲鋁層。

2）在葉盆選取兩處腐蝕坑，分別在葉片基體、腐蝕坑坑底、腐蝕坑中間凸起處進行能譜分析。葉盆表面腐蝕坑處能譜分析表明，腐蝕坑底存在含S元素的腐蝕產物。葉盆局部表面含有S和Al元素，Al元素含量較低，應為基體所含Al元素。腐蝕坑中的小點為含氧、高鋁的化合物，應為葉片原滲鋁層。

3）在腐蝕葉片葉盆處取金相試樣，在葉片表面凹坑處進行能譜分析。在金相試樣上的腐蝕坑處，葉片表面腐蝕處均存在含S元素的腐蝕產物。

4）對葉片表面凸起進行能譜分析，葉片腐蝕凸起部位元素成分（見表1）符合葉片K465合金主要材料組成（見表2）。

2.3 故障分析結論

分別采用合金分析儀和碳硫儀對料漿進行成分測試，測試結果表明其中不含S元素。使用報廢葉片在除滲鋁層的槽液中浸泡2小時后，用合金分析儀測定其表面黑灰類腐蝕產物中含有少量S元素。確認S元素為燃油燃燒產物所帶。同時通過對比試驗證明，鎳基高溫合金硫腐蝕產物為綠色，而沾染NaOH、NaN02、NaCl、除鋁劑（HF+Cr03+HN03）的試樣外觀為黑色，見圖5、圖6，與滲鋁葉片故障外觀（圖1）不符，排除此故障為S腐蝕。

二次滲鋁前采用濕吹砂清理葉身未能將葉片表面清理干凈，導致二次噴涂的料漿與一次滲鋁表面不浸潤，同時二次滲鋁時料漿噴涂厚度采用正常工藝下限厚度噴涂。一次滲鋁層與二次噴涂料漿層累積造成基體表面富集了大量的鋁元素，二次滲鋁過程中鋁元素未及時沉積到基體，鋁粉熔化，在粘結劑中聚集形成鋁液滴。滲鋁過程中葉身表面的鋁液滴與葉身接觸形成低熔點金屬熔蝕，粘結劑中未與葉身直接接觸的鋁液冷卻時形成鋁珠。

3 機理分析

相互接觸的兩種金屬形成一對擴散偶互擴散，由于在液體中的擴散速度大于在固體中的擴散速度，固體金屬可快速擴散溶解進入鋁液中。同時，葉片基體的表層原子與鋁液的原子發生冶金結合作用，形成的金屬間化合物脫離基體進入液體中，暴露出新的基體表面。

熔蝕作用就是葉片基體依靠這種“擴散——化合——熔化”的方式一層一層連續熔蝕的過程。而且氧氣、雜質或其他添加物介入了高、低熔點金屬間的反應，形成了三者或多者相互影響的復雜反應，由于這些中間反應的激活能比一步反應的激活能低，故使反應大大加速，熔蝕作用得以加快。返工時葉片除鋁后鋁元素被腐蝕掉，基體出現凹坑。溶入鋁液的基體元素未被除滲鋁溶液腐蝕掉而形成凸起。

4 試驗驗證

使用報廢的I、Ⅱ級渦輪葉片進行故障復現。試驗方案共5組，I級導向器葉片2片，Ⅱ級導向器葉片3片，分別命名為1#、2#、3#、4#、5#，工藝方案見表3，故障復現狀況如圖7。

二次滲鋁后1#試樣表面狀態正常，2#至5#試樣葉盆均出現鋁珠。吹砂清理后4#、5#出現類似腐蝕故障，如圖8、圖9。

5 結論

二次滲鋁時富集的鋁未能及時沉積到基體內，在葉片表面形成低熔點金屬腐蝕。滲鋁質量檢查不合格時，應采用干吹砂加溶液去除或機械清理的方法除去舊滲層，再重新噴涂料漿滲鋁。

參考文獻

[1]趙艷.低熔點金屬與不銹鋼表面交互作用的研究[D].大連理工大學，2013.

[2]陳俊文，邵孝沛.低熔點金屬對鋼鐵零件的熔蝕[J].金屬熱處理，1988（7）.

[3]李云，郭建亭，袁超，楊洪才，徐寧，申志明.鎳基鑄造高溫合金K35的熱腐蝕行為[J].中國腐蝕與防護學報，2005（4）.

[4]隆小慶.航空發動機高溫部件熱腐蝕機理的探討[J].全面腐蝕控制，2003（2）.

[5]趙德孜.海洋環境下燃氣輪機渦輪葉片的熱腐蝕與防護[J].裝備環境工程，2011（5）.

[6]郭殿品、張桂芝.多次滲鋁對渦輪葉片疲勞性能的影響[J].航空制造工程，1995（11）.