航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型基材防護(hù)體系加速腐蝕試驗(yàn)研究

劉治國，查小暉，王莉，李心舒，李宇濤

（1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，青島 266041； 2.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002；3. 91001部隊(duì)，北京 100000； 4. 92925部隊(duì)，長治 046000）

引言

環(huán)境適應(yīng)性是包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的所有航空裝備的一種極其重要的質(zhì)量特性，它直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效能、生存期和安全性。發(fā)動(dòng)機(jī)基體金屬材料受環(huán)境因素作用發(fā)生腐蝕損傷會(huì)直接導(dǎo)致其環(huán)境適應(yīng)性下降。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用年限的增加，基體結(jié)構(gòu)材料受環(huán)境作用會(huì)逐漸發(fā)生腐蝕并逐年加重[1-3]，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)服役在高溫高濕環(huán)境下，大氣環(huán)境腐蝕最終成為影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的突出問題。航空發(fā)動(dòng)機(jī)日歷壽命大都超過20年，首翻周期一般是5～10年，若以真實(shí)服役環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行研究，從時(shí)間、費(fèi)用、人力以及技術(shù)上都難以工程化實(shí)現(xiàn)。目前對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)/材料的環(huán)境適應(yīng)性研究主要通過兩種方式開展：一種方式主要采用相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 150等開展基礎(chǔ)級(jí)的考核試驗(yàn)；二是通過模擬服役環(huán)境的加速腐蝕試驗(yàn)方法開展考核試驗(yàn)[4-10]，該試驗(yàn)方法通過服役環(huán)境譜編制、金屬材料等腐蝕損傷當(dāng)量折算關(guān)系進(jìn)而編制加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的技術(shù)體系來實(shí)現(xiàn)，即通過實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境等量再現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役環(huán)境中的腐蝕損傷模式、類型與程度，該方法可在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段對(duì)其后續(xù)服役環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)考核與評(píng)估，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)裝備的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腐蝕防護(hù)涂層等進(jìn)行篩選、改進(jìn)與優(yōu)化。

根據(jù)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性研究需要，本文依托文獻(xiàn)[4-6]中方法，結(jié)合該型發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境數(shù)據(jù)與當(dāng)量關(guān)系理論，編制了模擬其服役環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，依托該加速譜開展擬用的多種基材及不同防護(hù)體系試件加速腐蝕試驗(yàn)并檢測各個(gè)試件各個(gè)腐蝕周期下典型腐蝕損傷區(qū)域的宏觀、微觀損傷程度，依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行同一基材、不同防護(hù)體系試件的耐蝕性比對(duì)與篩選，為該型發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境適應(yīng)性選材設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供試驗(yàn)驗(yàn)證支撐與分析基礎(chǔ)。

1 仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜

為真實(shí)探究、獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)基材及其防護(hù)體系于真實(shí)服役條件下環(huán)境適應(yīng)性水平，本文依據(jù)文獻(xiàn)[5,6]中環(huán)境譜設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)、編制得到模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型服役環(huán)境的仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜（如圖1），依據(jù)該譜開展發(fā)動(dòng)機(jī)基材試件（同一基材分為不同表面處理工藝與防護(hù)體系，具體見下文）的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)。環(huán)境譜的組成與文獻(xiàn)[5,6]中相同，主要由濕熱環(huán)境構(gòu)成，為再現(xiàn)并加快試件的腐蝕速率，環(huán)境譜中溶液成分為濃度為重量百分比為5 %（wt.%）的NaCl溶液中加入稀H2SO4，使溶液的pH=4.0±0.2。腐蝕的方式主要為腐蝕溶液周期浸潤與高溫濕環(huán)境烘烤。仿真加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜的具體作用強(qiáng)度規(guī)律為：干濕交變255次，其中每次溶液浸泡4.6 min、烘烤12.3 min。在該加速譜的作用規(guī)律下，每加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間71.82 h（1個(gè)加速腐蝕周期），大約3天，相當(dāng)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)基材服役環(huán)境下作用1年的腐蝕損傷量。

2 基材試件及其防護(hù)體系

根據(jù)該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)基材選用材料，試件基材分別為鋁合金、合金鋼、鈦合金、鎂合金四種類型，具體型號(hào)及其防護(hù)體系見表1所示，為保證試驗(yàn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義，每種標(biāo)號(hào)試件共5個(gè)，則總計(jì)80個(gè)試件。部分典型基材試件原始形貌見圖2所示。

圖1 仿真加速點(diǎn)蝕試驗(yàn)環(huán)境譜

表1 基材試件及其表面處理工藝與防護(hù)體系

3 仿真加速腐蝕試驗(yàn)

依據(jù)仿真加速點(diǎn)蝕試驗(yàn)環(huán)境譜，采用ZJF-45G周期浸潤試驗(yàn)箱開展上述四類試件的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)。為防止多種不同基體材料試件在試驗(yàn)過程中相互接觸而發(fā)生意外電化學(xué)腐蝕，試件垂直放置在PVC材料制作的絕緣擱架的卡槽內(nèi)，試驗(yàn)設(shè)備及試件放置如圖3所示。

圖2 部分試件原始形貌

圖3 設(shè)備及試驗(yàn)件擺放照片

加速腐蝕試驗(yàn)過程參照HB 5455-90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過程控制，依據(jù)首翻期壽命指標(biāo)，該仿真加速腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行了8個(gè)周期，相當(dāng)于8個(gè)日歷年限的加速腐蝕試驗(yàn)。每個(gè)周期后，逐一取出試件，按照先清洗、再晾干、其后檢測的程序，采用科視達(dá)KH-7700三維顯微鏡進(jìn)行基材試件典型腐蝕損傷區(qū)域宏觀腐蝕形貌與微觀腐蝕損傷尺寸檢測，檢測設(shè)備及試件腐蝕損傷檢測圖像如圖4中所示。檢測完成后，將試件再逐一放置于周期浸潤試驗(yàn)箱內(nèi)，開展后續(xù)周期試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)每個(gè)腐蝕周期后基材試件的表面腐蝕損傷狀態(tài)進(jìn)行檢測、記錄，并對(duì)上述信息進(jìn)行定性梳理統(tǒng)計(jì)，由此即可得到各種基材試件在不同表面處理工藝與防護(hù)措施下的腐蝕損傷演變規(guī)律，各類基材試件部分腐蝕周期下腐蝕損傷信息如表2所示。

圖4 KH-7700三維腐蝕損傷檢測顯微鏡及點(diǎn)蝕損傷檢測圖像

表2 部分基材試件腐蝕損傷演變信息

典型基材試件加速腐蝕后典型腐蝕損傷形貌如圖5所示。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)四類基材各個(gè)試件的腐蝕損傷程度進(jìn)行比對(duì)分析，篩選同類基材中耐蝕性優(yōu)良的表面處理工藝與防護(hù)體系，見表3所示，從中可見，對(duì)鎂合金、合金鋼以及鈦合金材料，所給的防護(hù)體系中，可以篩選出耐蝕性較為優(yōu)良的防護(hù)體系，而對(duì)鋁合金材料，三種防護(hù)體系與表面處理工藝，在本文的加速腐蝕環(huán)境下，均不理想。

圖5 部分試件試驗(yàn)后形貌

表3 基材試件耐蝕性篩選情況分析

5 結(jié)論

根據(jù)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性研究需要，本文采用模擬服役環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室仿真加速腐蝕試驗(yàn)方法，對(duì)擬用的四類基材及不同表面處理工藝與防護(hù)體系的共80個(gè)試件，開展了8個(gè)周期的加速腐蝕試驗(yàn)，依據(jù)各個(gè)試件各個(gè)腐蝕周期下腐蝕損傷檢測結(jié)果與演變規(guī)律分析結(jié)果，對(duì)同一基材、不同表面處理工藝與防護(hù)體系試件的耐蝕性比對(duì)與篩選，分別篩選出鎂合金、合金鋼、鈦合金三類基材中5種環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)良的表面防護(hù)體系，而鋁合金基材所給的防護(hù)體系耐蝕性均不理想。