鋼低氫海洋腐蝕研究

1、鋼低氫海洋腐蝕研究     超高強(qiáng)度鋼因其具有高的比強(qiáng)度、良好的疲勞性能和工藝性能在航空產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，軍用飛機(jī)起落架目前大多數(shù)采用鋼制造，但其斷裂韌性不高且抗應(yīng)力腐蝕能力差，不能完全滿足現(xiàn)代航空航天材料的要求。鋼是國內(nèi)新研制的一種新型超高強(qiáng)度鋼，它具有高的強(qiáng)度、硬度和疲勞性能并兼有高的斷裂韌性和延展性，比鋼不僅具有更好的強(qiáng)韌性，并且具有更好的抗應(yīng)力腐蝕斷裂能力和抗疲勞強(qiáng)度，鋼可以用來制造更小、更輕、更韌的零部件而不必犧牲強(qiáng)度，成為替代鋼的候選材料。海洋環(huán)境十分惡劣，當(dāng)飛機(jī)在海洋環(huán)境服役時，飛機(jī)起落架材料會遭受嚴(yán)重的腐蝕，對飛機(jī)安全飛行造成極大的威脅

2、，因此研究飛機(jī)起落架在海洋環(huán)境中的防護(hù)涂層具有重要意義。海洋環(huán)境防護(hù)涂層的評價一般采用兩類實驗方法，一類是現(xiàn)場暴露實驗，另一類是實驗室加速腐蝕實驗。實驗室加速實驗時間周期短，但相關(guān)性差；現(xiàn)場暴露實驗時間較長，但卻能夠準(zhǔn)確地反映涂鍍層在相應(yīng)環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性，實驗結(jié)果與實際情況較為接近。電刷鍍技術(shù)屬于特種電鍍技術(shù)，是電鍍技術(shù)的新發(fā)展。目前國內(nèi)外都已經(jīng)采用了低氫脆（）刷鍍鎘工藝來對形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行補(bǔ)鍍和現(xiàn)場的修復(fù)。刷鍍工藝在飛機(jī)起落架涂層的現(xiàn)場修復(fù)具有很重要的應(yīng)用，顏華等研究了刷鍍鎘技術(shù)在飛機(jī)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)件表面損傷修復(fù)中的應(yīng)用，實驗結(jié)果表明該工藝操作簡單，質(zhì)量穩(wěn)定，鹽霧實驗大于，鍍層結(jié)合力良好，

3、其性能滿足使用要求，適應(yīng)于飛機(jī)零件現(xiàn)場維修。本工作利用低氫脆刷鍍鎘技術(shù)在超高強(qiáng)度鋼表面電鍍，將鍍層在海洋大氣環(huán)境進(jìn)行掛片實驗來研究鍍層在海洋環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性，對其宏觀形貌、腐蝕動力學(xué)以及力學(xué)性能變化進(jìn)行了分析。實驗材料及方法實驗材料和試樣試樣基材采用超高強(qiáng)度鋼，化學(xué)成分見表，實驗采用兩種試樣，一種是用來進(jìn)行宏觀觀察及其形貌分析，尺寸××，另一種力學(xué)試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，按照北京航空材料研究院標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刷鍍，鍍層厚度左右。大氣環(huán)境暴露實驗鍍層試樣在海南萬寧大氣環(huán)境中暴露，暴露地點位于北緯°，東經(jīng)°，海拔高度，距海，年平均氣溫，相對濕度，日照，年降雨量，年

4、平均風(fēng)速，大氣中主要污染物成分，和。首先對原始試樣進(jìn)行宏觀照相，測試原始電化學(xué)性能和力學(xué)性能。然后試樣按照金屬和合金大氣腐蝕實驗現(xiàn)場實驗的一般要求進(jìn)行戶外暴露實驗。試樣安裝在試樣架上，朝南暴露，與地面成°。暴露試樣取樣分為個周期，每個月個周期，每個周期平行樣為個。最后對按周期取回的試樣進(jìn)行形貌觀察和性能測試。腐蝕實驗后的形貌觀察和性能測試試樣經(jīng)過戶外暴露實驗取樣后，用數(shù)碼相機(jī)拍照，觀察其表面腐蝕和產(chǎn)物情況。腐蝕實驗結(jié)果的重量損失測定和腐蝕產(chǎn)物的清除按照進(jìn)行。電化學(xué)阻抗測試系統(tǒng)由恒電位儀和鎖相放大器組成，采用三電極體系，以飽和甘汞電極（）為參比電極，鉑電極為輔助電極。測試面積為，測試前

5、試樣在溶液中浸泡，待電位穩(wěn)定后開始測量。測試激勵信號為幅值的正弦波，頻率范圍為。室溫拉伸實驗按進(jìn)行，測試經(jīng)過不同腐蝕實驗不同時間的拉伸力學(xué)性能，測試在電子萬能實驗機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為，每組拉伸平行樣為根，實驗結(jié)果為根試樣的平均值。結(jié)果與討論宏觀形貌變化圖為鋼表面刷鍍層經(jīng)過海南戶外暴露實驗后的宏觀形貌。比較不同實驗時間的試樣宏觀照片可以看出，鋼原始表面刷鍍層為結(jié)晶平滑均勻細(xì)致的光亮鍍層，并具有完整的金黃色鈍化膜（見圖（）。在海南戶外暴露實驗中鍍層表面腐蝕均勻，并伴有致密白色粉末狀腐蝕產(chǎn)物，在整個實驗過程中沒有出現(xiàn)紅銹，基體未發(fā)生腐蝕（見圖）。戶外暴露個月后，試樣表面顏色發(fā)生變化，由金黃色全部變?yōu)?/p>

6、暗灰色，表面鈍化膜發(fā)生腐蝕（見圖（）。隨著實驗的進(jìn)行，戶外暴露實驗個月后表面顏色變成灰暗色并有少許白色的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物附著在試樣表面，鍍鎘層發(fā)生腐蝕產(chǎn)生白銹（見圖（），實驗個月到個月后，試樣表面白色顆粒狀腐蝕產(chǎn)物增多并聚集，均勻地分布在實驗表面，實驗個月內(nèi)試樣只有鍍層發(fā)生腐蝕，未見基體出現(xiàn)紅銹，鍍層很好地保護(hù)了基體（見圖（），（）。腐蝕動力學(xué)曲線圖所示為鋼表面刷鍍鎘層在海南戶外暴露腐蝕實驗中的腐蝕失重曲線。由圖可以看到其腐蝕失重量隨實驗時間的延長逐漸升高，戶外暴露實驗個月后失重量最終達(dá)到。采用冪函數(shù)（）擬合失重數(shù)據(jù)與實驗時間的關(guān)系，得到擬合方程為（），相關(guān)系數(shù)，用相關(guān)系數(shù)來說明函數(shù)對曲線擬合效

7、果的優(yōu)劣，越接近于，函數(shù)對曲線的擬合性越好。由擬合方程看到其失重曲線符合的冪函數(shù)規(guī)律，即腐蝕速率總體上是隨時間的延長逐漸增加的，說明隨實驗時間的延長腐蝕失重率有明顯增加。鍍鎘層腐蝕電位比基體鋼要低，屬于陽極性鍍層，在腐蝕環(huán)境下，鍍層優(yōu)先腐蝕而起到保護(hù)基體的作用。當(dāng)環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)滲入鍍層孔隙中時由于鍍層與基體形成了大陽極小陰極的腐蝕原電池而引起陽極鍍層的腐蝕，隨著腐蝕的進(jìn)行，陰極面積逐漸增大，腐蝕速率越來越快。電化學(xué)交流阻抗譜分析圖為鋼表面刷鍍鎘層在海南戶外暴露實驗中的測試結(jié)果，由圖可以看到，原始試樣的阻抗譜中由中高頻區(qū)的一個容抗弧組成和低頻區(qū)擴(kuò)散弧組成，阻抗譜在低頻出現(xiàn)了擴(kuò)散阻抗尾阻抗，在相

8、角圖中能看到對應(yīng)斜率為的直線段，阻抗的出現(xiàn)由于腐蝕產(chǎn)物的存在使溶液中腐蝕性離子的擴(kuò)散受阻。這是由于鍍層原始表面存在一層致密的鈍化膜，導(dǎo)致了擴(kuò)散現(xiàn)象。大氣暴露個月后擴(kuò)散弧消失，表面鈍化膜發(fā)生腐蝕。大氣暴露個月至個月后的阻抗譜中由高頻區(qū)的一個容抗弧和低頻區(qū)擴(kuò)散弧組成，說明鍍層發(fā)生腐蝕，形成的腐蝕產(chǎn)物致密，腐蝕介質(zhì)離子受阻，導(dǎo)致了擴(kuò)散現(xiàn)象。大氣暴露個月后，阻抗譜由高頻區(qū)和低頻區(qū)雙容抗弧組成。由圖中的圖可以看到，容抗弧的半徑隨實驗時間先增大后減小，這是由于試樣表面發(fā)生點蝕，鍍鎘鈦層發(fā)生孔隙腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物致密，腐蝕初期形成的腐蝕產(chǎn)物對材料起到了一定的保護(hù)作用抑制了鍍層的腐蝕速率，實驗后期，鍍層腐蝕導(dǎo)

9、致金屬基體暴露區(qū)域變大，加速了腐蝕。環(huán)境腐蝕對力學(xué)性能的影響圖為鋼表面刷鍍層在海南戶外暴露實驗中力學(xué)性能曲線。比較不同實驗時間力學(xué)試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率的變化可以看出，在海南戶外暴露實驗中，隨著腐蝕時間的延長，材料的抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷面收縮率逐漸下降，戶外暴露個月后材料的抗拉強(qiáng)度變化約為、伸長率變化約為、斷面收縮率變化約為原始試樣的左右，說明腐蝕環(huán)境對材料的抗拉強(qiáng)度、伸長率和斷口面積收縮率變化影響很大，材料的塑性降低，脆性增加。圖和圖為鋼表面刷鍍層在海南戶外暴露實驗中的拉伸斷口形貌和組織變化。由斷口形貌可以看出，鍍層的原始試樣斷口斷裂源在心部，然后向放射區(qū)擴(kuò)展，最外圈為瞬斷區(qū)，組

10、織形貌為韌窩組織，斷口頸縮嚴(yán)重，為典型的韌性斷裂特征（見圖（），（）。戶外暴露實驗個月后，斷口形貌發(fā)生重大變化，斷裂源在試樣表面點蝕發(fā)生的位置，能看見明顯的腐蝕痕跡和腐蝕坑，放射區(qū)呈燈泡狀，源區(qū)組織主要仍是韌窩組織（見圖（）；戶外暴露個月后拉伸斷口形貌與暴露個月斷口形貌沒有太大變化（見圖（）；戶外暴露個月至個月后，斷口表面出現(xiàn)多個斷裂源，斷口主要區(qū)域都是瞬斷區(qū)，發(fā)生脆性斷裂（見圖（），（）。由斷口源區(qū)形貌組織可以看出，組織形貌韌窩很少，出現(xiàn)了大量的穿晶斷裂（見圖（）。斷口斷裂組織形貌屬于典型的氫脆斷裂中的“后脆”現(xiàn)象，這是由于鎘鍍層是一種陽極性鍍層，鍍層本身存在一些微孔，在遭到大氣腐蝕時，在微孔附近形成腐蝕原電池，鋼基體上發(fā)生陰極析氫反應(yīng)，析出的氫滲入鋼基體內(nèi)，在與應(yīng)力的共同作用下導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼的氫脆斷裂，這種由于鍍層腐蝕而導(dǎo)致的環(huán)境氫脆現(xiàn)象稱之為“后脆”。由力學(xué)曲線和斷口形貌說明腐蝕對刷鍍層的力學(xué)性能具有重要影響，鍍層的腐蝕行為影響了基體材料所受應(yīng)力的分布狀態(tài)，導(dǎo)致氫脆斷裂傾向。這在使用過程中特別是飛機(jī)起落架等受力零件中是不容忽視的。結(jié)論（）低氫脆刷鍍鎘層具有很強(qiáng)的耐蝕性能，鍍層屬于陽極性鍍層，在腐蝕環(huán)境中鍍