姿控发动机内舱壳体腐蚀机理分析

周绪绪 刘宝峰 雷欢平 戚小薇 刘 静



姿控发动机内舱壳体腐蚀机理分析

周绪绪 刘宝峰 雷欢平 戚小薇 刘 静

(西安长峰机电研究所，西安 710065)

采用宏观形貌观察、化学成分分析、金相组织观察、扫描电子显微镜等方法对秦岭山区姿控发动机内舱壳体腐蚀进行了分析。结果表明：发动机内舱壳体的腐蚀是由于电化学腐蚀造成的，并且与秦岭山区特殊的外界环境有关，提出了相应的改进建议。

内舱壳体；2A12 铝合金；电化学腐蚀、点蚀

1 引言

铝合金具有密度小、重量轻、比强度高、电导与热导性好等一系列优点，广泛应用于航空航天、能源、电子、交通等领域[1]。

2A12铝合金主要合金元素为铜与镁，耐蚀性差，若要置于容易腐蚀的场合，须另外做防护处理[2，3]。本批2A12铝合金锻件采用牛皮纸包装，存放时间1年左右，牛皮纸表面潮湿严重，部分产品出现缺陷，经低倍检测，其中6件锻件表面存在大面积缺陷。此锻件加工的零件为发动机关键结构件，类似事件从未发生过,故对此故障进行分析研究，以避免此类故障的再次发生有重要的意义。

本文对姿控发动机内舱壳体腐蚀的铝合金进行了宏观形貌观察、化学成分分析、金相组织、扫描电镜分析。分析了姿控发动机内舱壳体在秦岭山区腐蚀的机理及改进措施。

2 实验方法

采用机械方法，沿截面将缺陷最严重的部位切割，进行宏观检测。按照标准GB/T3246.2—2012进行低倍组织检查；按照GB/T3190—2008进行化学成分检查；按照GB/T3246.1—2012进行高倍显微组织检查，在扫描电镜下观察缺陷断面,并对缺陷最严重的部位进行能谱分析。

3 实验结果

3.1 宏观形貌

姿控发动机内舱壳体材料为2A12，合金状态代号为T4，内舱壳体采用牛皮纸简易包装，但内舱壳体有大面积腐蚀，缺陷存在于内外表面，最深处约为1.54mm，截取部分缺陷进行检测，如图1a、1b所示。

a 内表面

b 外表面

图1 内外表面宏观形貌

3.2 低倍组织分析

依据GB/T3246.2—2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法》第2部分低倍组织检验方法对内舱进行低倍检测，内舱壳体内外表面低倍腐蚀照片为侵蚀后（侵蚀剂为氢氧化钠溶液）得到的低倍腐蚀照片，可见清晰晶粒存在，且内舱外表面及内侧面存在大面积缺陷，如图2a、2b所示。

a 内表面

b 外表面

图2 内外表面低倍形貌

3.3 化学成分分析

从内舱壳体取样，采用直读光谱仪对其进行成分分析，依据GB/T3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》技术要求，检测结果如表1所示。

表1 内舱壳体2A12铝合金化学成分元素

3.4 金相分析

按照GB/T3246.1—2012对内舱壳体内外表面进行显微组织检验，均无过烧，如图3a、3b所示。

a 内表面

b 外表面

图3 内外表面显微组织

3.5 扫描电镜分析

采用电子扫描显微镜对缺陷进行观察和能谱分析，可见表面缺陷有白色、绿色及黄色覆盖物，成泥块状；分析缺陷微观形貌，存在腐蚀坑点。结合图4、表2显示Cu、S、Cl含量较高；图5、表3显示Al、Cu含量相对含量高，含有少量的Cl；图6、表4显示O、Cl含量较高；Cu含量低；从元素含量来看缺陷处存在O、S、Cl等腐蚀元素。分析不同颜色的覆盖物成分，白色主要为O元素，绿色处Cu含量较高，黄色处有部分S元素，可以判定为环境或其他物质造成的腐蚀。

图4 外表面

图5 内表面

图6 外表面

表2 外表面测定部位的检测结果

表3 内表面测定部位的检测结果

表4 外表面测定部位的检测结果

4 分析与讨论

4.1 环境的影响

秦岭山区气候潮湿并且存在酸性介质如硫氧化物SO2，另外2A12铝合金在潮湿环境中表面容易发生氧化，表面形成的Al2O3膜被破坏，电化学反应腐蚀机制可能为[4]：

阳极反应：Al→3e→Al3+

阴极反应为：O2+4H++4e→2H2O（在酸性介质）

SO2(g)→SO2(aq)

SO2(aq)+H2O→HSO3－(aq)+H+(aq)

HSO3→H++SO32－

HSO3－+［O］→HSO4－

Cl－是发生点蚀的主要原因，秦岭山区潮湿的空气中含有大量的Cl－，Cl－会加剧2A12铝合金腐蚀。Al3+则与Cl－相遇，生成灰白色腐蚀产物AlCl3，电化学反应腐蚀机制可能为[5]：

Al(OH)3+Cl→Al(OH)2Cl+OH－，

Al(OH)2Cl+Cl→Al(OH)Cl2+OH－，

Al(OH)Cl2+Cl→AlCl3+OH－

结果表明，腐蚀产物中含有的元素基本相同，主要含有Al、O、Cl等，其腐蚀产物应主要为Al(OH)3、Al2O3和AlCl3。

4.2 材料合金成分的影响

2A12合金为Al-Mg-Cu系合金，含铜量较高，晶界贫铜区容易与富铜相CuAl2结合成腐蚀电池,发生腐蚀，从内舱壳体的宏观腐蚀形貌看，内舱壳体的腐蚀具有明显的点状腐蚀形貌，如图1所示。

4.3 表面保护膜的影响

铝在大气中会生成自然保护膜，此保护膜具有保护母材抵抗腐蚀的能力，但在特殊条件下，如潮湿、碱性或稀酸溶液中，便会发生内舱基体与外界环境接触发生腐蚀。秦岭山区为潮湿气候，空气中二氧化硫等污染物使电解质具有了弱酸性，从而导致了腐蚀的发生。内舱壳体在腐蚀介质中容易形成腐蚀微电池，工业污染物、如硫氧化物和氮氧化物，主要为SO2，导致试样表面形成的A12O3膜被破坏。

综上所述，内舱壳体化学成分符合技术要求，显微组织检查未发现异常，通过电子扫描显微镜分析，缺陷处存在O、S、Cl等腐蚀元素。分析不同颜色的覆盖物成分，白色主要为O元素，绿色处Cu含量较高，黄色处有部分S元素，可以判定为环境或其他物质造成的腐蚀。然而点蚀发生在铝合金腐蚀的开始，现象为针状小孔，点状，孔状的局部腐蚀形态，当腐蚀发展到一定程度后沿晶界腐蚀为晶间腐蚀，碎裂，再经过一段时间后发展成为剥落腐蚀，剥落腐蚀是危害最大的腐蚀，现象为产生小碎片、碎末大块的金属片脱离金属体，并有粉末状产物[6]。以上现象表明，该缺陷处于腐蚀初始阶段，属于点状腐蚀，还未达到晶间腐蚀和剥蚀的阶段。

5 结束语

a.内舱壳体内外表面缺陷属于点状腐蚀，是由于电化学腐蚀造成的。

b. 在潮湿环境下不能用牛皮纸包装,建议采用木制包装并保持干燥。

1 任颂赞，叶剑，陈德华. 金相分析原理及技术[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，2013，755

2 辅机零件失效及缺陷分析编写组. 辅机零件失效及缺陷分析[M]. 北京：《航空与航天》编辑部

3 梁志明，丘侃，陆耀洪. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，1992

4 周和荣，马坚，陆启凯，等. 典型铝合金在江津自然大气环境中的腐蚀行为研究[C]. 第五届中美环境材料环境腐蚀与老化试验学术讨论会2008，44～45

5 李涛，李晓刚，董超芳，等. Cl-含量对2A12铝合金初期腐蚀行为的影响[J]. 北京科技大学学报，2009，31(12)：1576～1582

6 程宗辉，王逾涯，崔常京，等. 飞机2A12铝合金结构的腐蚀损伤行为研究[C]. 航空航天表面处理新技术研讨会论文集. 2009，158～163

7 朱祖芳. 有色金属耐腐蚀性及其应用[M]. 北京：化学工业出版社，1995，18

Analysis of Corrosion Mechanism of Cabin in Attitude Control Engine

Zhou Xuxu Liu Baofeng Lei Huanping Qi Xiaowei Liu Jing

(Xi'an Changfeng Electromechanical Research Institute, Xi'an 710065)

By means of macroscopic observation, chemical composition analysis, microstructure observation and scanning electron microscopy, the corrosion causes of the inner chamber of the attitude control engine in Qinling Mountains mountain area were analyzed. The results show that the corrosion of the inner chamber of the engine is caused by electrochemical corrosion, and is related to the special environment of Qinling Mountains mountain area.

inner shell；2A12 aluminum alloy；electrochemical corrosion

周绪绪（1984-），工程师，材料成型及控制工程专业；研究方向：理化分析。

2017-01-16