35Cr2Ni4MoA材料表面碳化鎢處理耐蝕性研究

趙連紅，劉成臣，何衛平，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，在航空工業生產制造中發揮著重要作用[1-3]。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。35Cr2Ni4MoA材料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]。面對飛機長期在沿海區域服役和使用過程中的高鹽霧、高濕熱等嚴酷海洋環境，采用傳統的鍍硬鉻表面處理的飛機起落架結構（采用35Cr2Ni4MoA材料）出現嚴重的腐蝕損傷，嚴重影響飛機安全性和可靠性[6-8]。隨著碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理技術工藝逐漸成熟，運用日益廣泛，其優越的耐蝕性和耐磨性逐漸得到業內認可[9-10]。通過碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理技術來提高35Cr2Ni4MoA材料表面耐蝕性已經成為一種有效手段[11]。文中主要研究35Cr2Ni4MoA材料兩種表面處理技術的耐腐蝕性能，對比35Cr2Ni4MoA材料采用傳統鍍硬鉻和碳化鎢-10Co-4C兩種表面處理的耐蝕性差異，為35Cr2Ni4MoA材料在海洋環境下應用的防腐蝕能力提升提供參考。

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 35Cr2-Ni4MoA，形狀為圓筒狀，試驗件分別采用碳化鎢和鍍硬鉻兩種表面處理，每類試驗件數量為2件，其長度為270 mm，內徑為55 mm，外徑為65 mm，試驗件表面處理見表1。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，試驗件外形如圖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35Cr2-Ni4MoA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。在劉成臣提出的海洋環境試驗環境譜[12-13]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。每個周期嚴格按照依次從試驗件清洗、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開展環境試驗。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。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 GB/T 18590—2001變焦顯微測試法，盡量多地采集腐蝕數據，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（傳統鍍硬鉻）試驗初期，點蝕零星分布在試驗件表面，隨著試驗時間推移；試驗中期，點蝕腐蝕數量增多，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。GSHYPT試驗件（碳化鎢 WC-10Co-4Cr）試驗初期無明顯腐蝕；試驗中期，試驗件表面鍍層出現輕微均勻腐蝕，分布范圍少，腐蝕程度較輕；試驗后期，試驗件鍍層腐蝕程度相較于中期有所增加，腐蝕區域面積增加，試驗件表面幾處出現點蝕，腐蝕程度較輕。在第1—8周期兩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2、表3和表4，表中記錄的蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內腐蝕數量的數值為試驗檢測均值。

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[14]，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3所示。相較之下，GSHYPT試驗件在環境試驗初期未發生腐蝕，試驗中期，試驗件鍍層有輕微均勻腐蝕，隨著環境試驗開展，試驗件鍍層腐蝕面積逐漸增大，但增幅較小，從第7周期開始試驗件表面出現輕微點蝕。GSHYPT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 4所示。GSHYPT試驗件的蝕坑深度僅僅相當于 YLCL試驗件蝕坑深度的5%。由圖5中蝕坑的發展趨勢可知，隨著試驗的進一步開展，兩種試驗件的腐蝕程度差異越來越大，因此就腐蝕深度判斷，35Cr2Ni4MoA材料碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統鍍硬鉻表面處理能有效提高材料表面的耐腐蝕能力。

表2 兩種表面處理35Cr2Ni4MoA試驗件外表面蝕坑深度 μm

表3 兩種表面處理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。GSHYPT試驗件在8個環境試驗周期里，試驗前期鍍層發生均勻腐蝕后，并未對試驗件基材產生腐蝕損傷，試驗后期試驗件表面發生點蝕，且腐蝕面積較小，腐蝕程度輕。兩種試驗件表面腐蝕面積曲線如圖6所示。YLCL試驗件表面腐蝕面積變化規律與唐子龍[14]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，即試驗件表面蝕坑半徑r隨時間成直線關系。按照這個發展趨勢，隨著試驗的進一步開展，兩種表面處理試驗件的腐蝕面積差值會越來越大。因此就腐蝕面積判斷，35Cr2Ni4MoA材料碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統鍍硬鉻表面處理能更有效地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，GSHYPT試驗件在前6個周期，僅僅試驗件鍍層發生腐蝕，且腐蝕程度較輕。在第7周期，試驗件基材表面才發生點蝕，且單位面積內腐蝕數量一般以數量1居多，直至試驗結束，試驗件單位面積內腐蝕數量為2。兩種試驗件單位面積腐蝕個數變化曲線如圖7所示，YLCL試驗件腐蝕個數表現出少→多→少趨勢，但相較于 GSHYPT試驗件，腐蝕個數整體水平明顯偏多，且腐蝕程度嚴重。

2.2 試驗結果分析

35Cr2Ni4MoA材料兩種試驗件開展了 8個周期的濕熱和鹽霧環境試驗，兩種試驗件的腐蝕形貌如圖8和圖9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，兩種試驗件都發生點蝕，且腐蝕程度隨時間的增加而趨于嚴重。不同之處在于采取鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理的試驗件發生腐蝕的時間晚，且腐蝕速率低，腐蝕程度輕。綜合分析，35Cr2Ni4MoA材料表面鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）處理提高了材料表面質量，鍍層致密，孔隙少，且含有防腐Co和Cr元素，大大減少了材料腐蝕概率。因此在腐蝕環境試驗初期，35Cr2-Ni4MoA材料采用傳統鍍硬鉻會在外表面微孔隙部位產生點蝕，而采用碳化鎢（WC-10Co-4Cr）只在鍍層出現均勻腐蝕。其次，隨著試驗的開展，對于鍍硬鉻試驗件而言，更多腐蝕介質進一步通過蝕坑與材料基材反應，使腐蝕速率不斷增加，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，又促進了裂紋的擴展，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。采用鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）處理的試驗件，由于碳化鎢（WC-10Co-4Cr）形成的表面處理層致密，試驗前期鍍層表面發生均勻腐蝕，腐蝕程度較輕，導致腐蝕環境介質與材料基材不能有效接觸產生快速腐蝕，同時碳化鎢（WC-10Co-4Cr）自身含有的Co和Cr元素耐蝕性強，能有效降低鍍層腐蝕速率。最后，鎢（WC-10Co-4Cr）腐蝕后形成的腐蝕產物分布在試驗件外表層，形成的腐蝕產物薄膜層能阻隔內部基材與腐蝕環境介質的接觸和作用，從而大大地降低35Cr2Ni4MoA材料表面腐蝕速率。

綜上所述，通過蝕坑深度、腐蝕面積、單位面積內腐蝕個數的對比研究了35Cr2Ni4MoA材料兩種表面處理防護方法的耐蝕性，碳化鎢（WC-10Co-4Cr）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）試驗件采用鍍碳化鎢（WC-10Co-4Cr）與傳統鍍硬鉻前期腐蝕形式不同，鍍碳化鎢試樣（WC-10Co-4Cr）前期腐蝕為鍍層均勻腐蝕，隨時間腐蝕速率增幅較慢，傳統鍍硬鉻腐蝕為材料點蝕，隨時間腐蝕速率增幅較快。

2）碳化鎢（WC-10Co-4Cr）相較于傳統鍍硬鉻表面處理能大幅度提高35Cr2Ni4MoA材料表面耐蝕性能。

3）碳化鎢（WC-10Co-4Cr）表面處理能提高35Cr2Ni4MoA材料表面防護質量，減少 35Cr2Ni4-MoA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材料防腐蝕技術的提升指明方向。

4）通過對35Cr2Ni4MoA材料兩種表面防護耐蝕性的研究，為服役在海洋惡劣環境下飛機 35Cr2Ni-4MoA材料的腐蝕防護提供了依據。

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