35Cr2Ni4MoA材料防腐蝕性能驗證研究

趙連紅，張紅飛，劉成臣，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

35Cr2Ni4MoA作為一種超高強度中碳鋼在航空工業制造使用中有重要作用[1]。材料中含有Ni，Cr，Mo合金元素，使鋼的過冷奧氏體相當穩定，淬透性很好[2-3]。35Cr2Ni4MoA材料表面處理經常采用鍍硬鉻工藝，主要用于制造截面較大的承受疲勞載荷的關鍵件，如重要軸類、對接接頭、螺栓及飛機起落架等[4-5]。飛機長期在沿海區域服役和使用，高鹽霧、高濕熱等嚴酷海洋環境對飛機結構，特別是承受高載荷高應力水平的起落架結構，會產生嚴重的腐蝕損傷，嚴重影響飛機安全性和可靠性[6-10]。35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻在海洋環境中耐腐蝕性能較差，同時針對35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻應用范圍廣、工藝穩定成熟，且在短時間內沒有穩定成熟的新表面處理工藝替代的條件下，工程技術人員想借鑒表面處理封孔技術有效提高耐腐蝕性能的方法[11]，通過在鍍硬鉻工藝基礎上采取封孔防護的手段來提高 35Cr2Ni4MoA材料表面的耐蝕性。文中主要研究35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻有無封孔防護狀態下的耐蝕性能差異，驗證35Cr2Ni4MoA材料封孔防護的有效性，為其在海洋環境下應用的防腐蝕方案提供依據。

1 實驗室加速試驗

1.1 試樣

試驗件由航空工業哈飛提供，材料為35Cr2Ni4MoA，形狀為圓筒狀，試驗件分別采用鍍硬鉻和鍍硬鉻+封孔防護兩種表面防護，每類試驗件數量為2件，其長度為270 mm，內徑為55 mm，外徑為65mm，試驗件表面處理見表1。鍍硬鉻試驗件按照除油、清洗、電鍍硬鉻、除氫的工藝流程進行電鍍，溫度為50～60 ℃，電流密度為40～60 A/dm2，電鍍硬鉻厚度為40～60 μm。鍍硬鉻+封孔防護的試驗件在硬鉻鍍試驗件的基礎上按照除油、加熱、刷涂518封孔劑（封孔劑主要含有碳、氮、氫等元素，較好滲透性，刷涂中利用溫差氣體收縮效應和毛細現象可有效封閉硬鉻鍍層的微裂紋和孔隙），室溫固化6 h，120 ℃加溫固化3 h的工藝流程，清除試驗件表面封孔劑，通過貼濾紙法檢查試驗件表面無孔隙，確保封孔處理質量。試驗中檢測試驗件腐蝕坑深度的設備為KH-7700三位體式顯微鏡，其放大倍數為50～3500倍，試驗件如圖1所示。

表1 試驗件清單

1.2 試驗環境

海洋環境中的高濕熱、高鹽霧腐蝕環境對35Cr2Ni4MoA材料的腐蝕影響最為嚴重，試驗重點研究濕熱和鹽霧環境對材料的腐蝕影響。劉成臣針對不同材料在海洋大氣環境下的加速環境譜開展研究[12]。文中在海洋大氣試驗環境譜的基礎上裁剪紫外試驗模塊，形成35Cr2Ni4MoA材料的加速環境譜，其中每個周期的試驗作用時間為336 h，包括 168 h濕熱試驗和168 h酸性鹽霧試驗，試驗共8個周期，試驗的加速試驗環境譜如圖2所示。

1.3 試驗方法

按照加速試驗環境譜開展35Cr2Ni4MoA試驗件環境試驗，試驗周期為8周期。嚴格按照試驗程序開展環境試驗，每個周期依次從試驗件清洗、初始檢測、周期性加速腐蝕試驗、周期性取樣檢測分析等程序進行。在加速試驗中，按照 GJB 150.9A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第 9部分：濕熱試驗》和GJB 150.11A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第 11部分：鹽霧試驗》開展濕熱試驗和鹽霧試驗，每個循環結束后檢測試驗件腐蝕情況。在試驗件檢測前選擇3處腐蝕嚴重的區域進行標記，標記為2 cm×2 cm的方格。同時方格作為試驗檢測單位面積，用于檢測單位面積的腐蝕數量（即用于單位面積腐蝕數量檢測）。35Cr2Ni4MoA試驗件表面腐蝕情況（坑深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數量）采用 KH-7700三位體式顯微鏡檢測，按照國標GB/T 18590—2001變焦顯微測試法，在試驗件表面不同部位采集腐蝕數據，使檢測的腐蝕數據能夠體現試驗件的表面整體腐蝕情況。

2 結果與討論

2.1 試驗數據分析

35Cr2Ni4MoA試驗件開展 8個周期的實驗室加速腐蝕環境試驗，檢測35Cr2Ni4MoA兩種試驗件的腐蝕形貌。YLCL試驗件試驗初期，點蝕零星分布在試驗件表面；隨著試驗時間推移，到試驗中期，點蝕數量增多，點蝕面積增大，腐蝕增長速率快；到試驗后期，腐蝕數量增多，腐蝕面積增大，腐蝕程度嚴重。YLFK試驗件試驗初期無明顯腐蝕；試驗中期，試驗件表面出現輕微點蝕，數量少，腐蝕程度較輕；試驗后期，腐蝕程度相較于中期有所增加，腐蝕數量、腐蝕面積增加幅度較小。在 1—8周期，2類試驗件的蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內腐蝕數量等腐蝕數據見表1、表2和表3，蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內腐蝕數量的數值為試驗檢測均值。

表2 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗件外表面蝕坑深度 μm

表3 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗件外表面腐蝕面積 μm2

表4 2種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗件外表面單位面積內腐蝕數量

通過表2統計的蝕坑深度可知，YLCL試驗件在環境試驗第1周期中發生腐蝕，并且腐蝕蝕坑深度隨試驗時間成冪函數關系[13]，腐蝕程度越來越嚴重。YLCL試驗件經過8個周期環境試驗后，表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖 3a所示。相較之下，YLFK試驗件在環境試驗初期未發生腐蝕，從第3周期開始試驗件表面才出現輕微腐蝕。隨著環境試驗的開展，試驗件表面蝕坑深度逐漸增大，但增幅較小。YLFK試驗件經過8個周期環境試驗后，表面腐蝕形貌和蝕坑深度如圖3b所示，經歷8個周期環境試驗，YLFK試驗件的蝕坑深度僅僅相當于 YLCL試驗件蝕坑深度25%。由此可以推斷，隨著試驗的進一步開展，兩種試驗件的蝕坑深度差值會越來越大。因此判斷，35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻+封孔防護后，能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

通過表3統計的腐蝕面積數據可知，YLCL試驗件經歷8個環境試驗后，形成的腐蝕面積較大，腐蝕面積隨時間的增加而增大，且增長幅度較快。而YLFK試驗件在 8個環境試驗后形成的腐蝕面積較小，腐蝕面積隨時間增加的增幅較慢。可以看出，試驗件表面腐蝕面積變化規律與唐子龍[13]在考慮蝕坑內沉積層情況下提出的半球形孔模型的規律一致。即YLCL試驗件表面蝕坑半徑r隨時間成直線關系，YLFK試驗件表面蝕坑半徑r隨時間成平方根關系。按照這個發展趨勢，隨著試驗進一步開展，兩種試驗件的腐蝕面積差值會越來越大。因此判斷，35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻+封孔防護后，能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

YLCL試驗件在試驗初期腐蝕數量較少，腐蝕點零星分布在試驗件外表面，單位面積內的腐蝕數量一般以數量2和3居多。隨著試驗的開展，到試驗中期，腐蝕速率增加，點蝕個數增加速率明顯加快，單位面積內腐蝕數量一般以數量7和8居多。到試驗后期，單位面積內的腐蝕數量一般以數量3和4居多。相較之下，YLFK試驗件在第3周期剛出現點蝕，單位面積內的腐蝕數量為1。在5周期，試驗件單位面積內腐蝕數量一般以數量2和3居多。到試驗后期，單位面積內腐蝕數量為2。可以看出，兩種試驗件腐蝕個數變化趨勢一致，都表現出少→多→少趨勢，但YLCL試驗件相較于YLFK試驗件，腐蝕個數整體水平多，且腐蝕程度嚴重。

2.2 試驗結果分析

對35Cr2Ni4MoA材料兩種試驗件開展了8個周期濕熱和鹽霧環境試驗，兩種試驗件的腐蝕形貌如圖4所示。通過對腐蝕深度、腐蝕面積、單位面積腐蝕數量的檢測和分析，總體而言，兩種試驗件表面發生腐蝕類型為點蝕，且腐蝕程度隨時間增加而嚴重。鍍硬鉻+封孔試驗件相較于鍍鉻的試驗件，點蝕發生時間遲、腐蝕速率低且腐蝕程度輕。

1）對于鍍硬鉻+封孔試驗件，改變了原先采用鍍硬鉻處理后，材料表面多孔隙的不足，提高了材料表面質量，減少了因為材料表面鍍硬鉻后仍有較多孔隙易引起點蝕的不足。因此在腐蝕環境試驗初期，35Cr2Ni4MoA材料表面鍍硬鉻會在外表面微孔隙部位產生點蝕，而采用鍍硬鉻和封孔防護的沒有出現點蝕。

2）采用鍍硬鉻和封孔防護的試驗件，由于試驗件表面孔隙被封孔劑填充，腐蝕產物只能停留在材料表面，不能沿著深度方向發展，所形成的腐蝕產物對于點蝕周圍區域的張力作用很小，導致腐蝕產物張力作用不能促進腐蝕環境介質對材料表面的快速腐蝕作用。隨著試驗的開展，對于鍍硬鉻試驗件而言，更多腐蝕介質通過微裂紋和孔隙與材料基材反應，使機體材料腐蝕。隨著腐蝕程度不斷加深，在腐蝕部位產生大量腐蝕產物。同時在腐蝕產物不斷增長過程中對試驗件腐蝕部位表面產生張力作用，導致腐蝕中心部位發生鼓包和龜裂，并產生微裂紋。微裂紋形成之后，腐蝕會沿著裂紋不斷擴展，導致腐蝕產物以更快的速度增長，使試驗件表面腐蝕情況更加嚴重。同時腐蝕產物在裂紋處累積，又促進裂紋的擴展，從而導致腐蝕速率越來越快。在這樣相互促進作用下，試驗件腐蝕速率加快。這也是封孔防護后腐蝕程度明顯降低、腐蝕速率減小的原因。

3）封孔防護的試驗件在試驗中后期，由于腐蝕產物大量在表面積累，阻隔了材料與腐蝕環境介質的接觸，減少了腐蝕環境與內表面基材作用，從而降低了材料表面腐蝕速率。

綜上所述，通過驗證35Cr2Ni4MoA材料表面兩種防護方法的耐蝕性，鍍硬鉻和封孔防護在鍍硬鉻的基礎上，提高了35Cr2Ni4MoA材料表面處理質量，減少了35Cr2Ni4MoA材料表面處理孔隙，切斷了環境介質與 35Cr2Ni4MoA基材接觸途徑，對于35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻表面處理的防腐蝕能力提升有重要作用。同時也為35Cr2Ni4MoA材料在海洋環境下的工程運用提供了好的思路和方向。

3 結論

通過開展35Cr2Ni4MoA材料的實驗室加速腐蝕環境試驗，得到以下結論。

1）采用蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內腐蝕數量等腐蝕特征量能夠有效描述35Cr2Ni4MoA材料表面的腐蝕程度，準確合理地反映35Cr2Ni4MoA材料表面的腐蝕特點。

2）鍍硬鉻和封孔防護相較于鍍硬鉻表面防護，能大幅度提高35Cr2Ni4MoA材料表面的耐蝕性。

3）鍍硬鉻和封孔防防護能提高35Cr2Ni4MoA材料表面處理質量，減少35Cr2Ni4MoA材料表面處理孔隙，能有效降低35Cr2Ni4MoA材料發生腐蝕的概率，為35Cr2Ni4MoA材料鍍硬鉻的防腐蝕技術改進指明方向。

4）通過開展35Cr2Ni4MoA材料兩種表面防護耐蝕性研究，驗證了35Cr2Ni4MoA材料表面耐腐蝕性能，為服役在海洋惡劣環境下飛機35Cr2Ni4MoA材料的腐蝕防護提供了依據。