盐雾环境下部段对接紧固件耐腐蚀性研究

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(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.航天材料及工艺研究所，北京 100076；3.首都航天机械公司，北京 100076;4.天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

在海洋盐雾大气环境中,结构直接暴露在大气环境中，可能会遭遇高温、高湿及雨淋等环境条件。高强度连接结构或者承载结构存在应力腐蚀的风险。以往工程研制中主要关注电气设备的防水防潮[1-3]，由于环境特点，有必要针对高强度承载结构处紧固件开展结构腐蚀防护有效性验证试验。本文主要针对部段对接用紧固件的腐蚀试验情况进行分析，腐蚀试验分为浸泡试验和暴露试验两部分，以验证在不同防水措施下的不同材料/表面处理的紧固件耐腐蚀性能。

1 试验件状态

试验件按不同类别状态(各类材料/各类螺纹直径/各类表面处理/各类热处理/有无醇酸清漆)排列组合进行腐蚀试验，试验件装配状态见图1，试验件各类别细分状态梳理如下：

1)螺栓状态：

①材料：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、Ti-6Al-4V、GH4169、30CrMnSiNi2A这4类螺栓/螺母开展。其中30CrMnSiA为车制工艺螺栓材料，ML30CrMnSiA为镦制工艺螺栓材料。

②螺纹直径：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)分为M8紧固件、M10紧固件，30CrMnSiNi2A分为M10紧固件、M24紧固件，其余材料均为M10紧固件。

③表面处理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)的M8螺栓采用镀锌并铬酸钝化，M10螺栓采用镀镉并铬酸钝化或 flZnAl12锌铝达克罗；Ti-6Al-4V表面处理包括“涂MoS2+十六醇”、“喷涂铝+十六醇”、“离子镀铝+十六醇”。GH4169采用化学钝化，30CrMnSiNi2A采用锌铬涂层或flZnAl12达克罗。

④热处理：30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)为σb=1200±100Mpa或HRC：32～38。Ti-6Al-4V为σb≥1100Mpa。GH4169为1300≤σb≤1300Mpa，30CrMnSiNi2A为HRC(洛氏硬度)：42～47。

2)螺母状态：采用直径及材料相同的标准件。

3)防水密封垫：螺栓、螺母和夹持件间放置防水垫圈，材料为铝合金材料，该材料具有较高的可塑性、耐蚀性、导电性，适合作为密封垫圈。需要说明的是，所有试验件状态均施加了防水密封圈作为基本的防水措施。

4)夹持件：模拟端框采用铝制材料，并增加表面阳极化。

5)防水涂层：醇酸清漆(未加稀料，采用100%醇酸清漆，颜色略显淡黄色)，螺栓、螺母的表面安装前刷涂醇酸清漆，刷涂后静置24小时后进行装配。形成组合体且施加力矩后，组合体整体再次刷涂醇酸清漆。

6)紧固件力矩：为提高试验的载荷覆盖性，试验件安装力矩略大于实际施加力矩，具体为：M8螺栓力矩为20N·m，M10螺栓力矩为35N·m，M24螺栓力矩为230N·m。

2 腐蚀试验条件

2.1 试验条件

腐蚀试验包括真实环境浸泡试验和发射场真实环境暴露试验。其中浸泡试验又包括真实雨水和真实冷凝水两种状态，暴露试验分为冬季和夏季真实环境暴露试验。其中冷凝水状态为考虑推进剂加注后，物体表面温度低于环境露点温度时，物体外壁将出现的结露现象。

2.1.1 真实环境浸泡试验条件

1)浸泡溶剂为发射场实际环境条件下的雨水/冷凝水；

2)试验时保持恒温35±3℃；

3)试验件要求完全浸泡在溶剂中；

4)浸泡时间分为5个节点；

5)每天更换雨水/冷凝水溶剂。

2.1.2 真实环境暴露试验条件

1)暴露时间段分为冬季和夏季试验；

2)试验件直接放置在发射场最真实的平台位置处；

3)试验件直接暴露在真实的大气环境中；

4)暴露时间分为3个节点。

图1 雨水浸泡横载试验示意图Fig.1 Schematic figure of soaking-in-rain test

2.2 试验水样成分

试验水样共分3批采集，冷凝水、雨水水样试验前后分析结果可归纳为：氯离子、硫酸根离子，它们是溶剂中起主要腐蚀作用的离子。氯离子、硫酸根离子浓度与溶剂pH没有正相关性。试验前后pH值没有明显变化，氯离子和硫酸根离子的浓度有变化，没有明显规律，但没有出现数量级的差异。以某批试验雨水数据为例，分析结果如表1所示。

表1 水样成分分析结果Tab.1 Analysis result of rain constituents

2.3 紧固件拉断力测试

以M10紧固件为例，螺栓、螺母成组拉断，测试力-位移曲线，拉断力测试采用10t拉力机，拉断试验件工装见图2。

图2 M10紧固件拉断试验件工装Fig.2 M10 fasteners stretching test craft equipment

3 腐蚀试验结果

以M10的30CrMnSiA浸泡试验为例，试验实物照片见图3。拉断力测试结果见图4，并以试验前试验件拉断力的±8%作为区间。不同浸泡时段的试验件均大于标准拉断力(63.8kN)，且在±8%的分析区间之内。

(a)无表处，无醇酸清漆

(b)镀镉并铬酸钝化，无无醇酸清漆

(c)镀镉并铬酸钝化，并涂无醇酸清漆图3 30CrMnSiA M10紧固件浸泡试验后Fig.3 30CrMnSiA M10 after fasteners soaking test

图4 30CrMnSiA浸泡试验前后拉断力对比Fig.4 30CrMnSiA fasteners stretching loads before and after soaking test

在试验过程中曾发生由于试验工装刚度不足，而造成M10钛合金Ti-6Al-4V紧固件拉断力偏低的异常现象，具体分析见第4节。工装更换后，试验数据恢复正常。

通过开展高强结构紧固件腐蚀试验，获取了30CrMnSiA(ML30CrMnSiA)、GH4169、30CrMnSi-Ni2A和Ti-6Al-4V材料的高强结构紧固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d的试验数据，验证了不同表面处理措施的抗腐蚀效果，验证了防护胶对产品的保护效果(所有试验件均施加了铝制密封圈作为基本防水措施)。

1)不同表面处理状态的30CrMnSiA(ML30Cr-MnSiA)、GH4169、30CrMnSiNi2A和Ti-6Al-4V材料的高强结构定力矩紧固件在雨水中浸泡168h和在暴露20d后拉断力结果均符合许用标准，且试验前后的拉断力对比无明显变化。铝制密封圈可以有效阻隔盐雾、雨水、冷凝水对螺栓/螺母承力结构的影响。

2) 30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMn-SiN2A材料本体在雨水环境和大气环境下的腐蚀倾向性明显，镀锌/镀镉并铬酸钝化和flZnAl12(锌铝达克罗)表面处理可在一定程度上提升紧固件耐蚀性，但仍不能避免点蚀发生，表面涂醇酸清漆处理可以很好地保护紧固件本体。

3) GH4169和Ti-6Al-4V材料本体在海南雨水环境和海南大气环境下具有较强的耐蚀性。

4 钛合金拉断力异常情况分析

腐蚀试验中曾发生两种暴露试验后钛合金螺钉拉断力偏低的现象，数值为49.2kN, 51.3kN≤71.65kN(标准规定值)，拉断曲线见图5。该现象在工装更换为强度、刚度较好的工装后，钛合金拉断力恢复正常。

30CrMnSiA相对钛合金Ti-6Al-4V从拉断曲线分析，存在明显的塑性变形区域，在旧工装存在局部附加弯矩的情况下，能够通过变形协调更好地缓解应力集中现场。同时，通过有限元分析，在同为旧工装状态下，30CrMnSiA螺栓相对钛合金Ti-6Al-4V螺栓，截面附加弯矩极值更小(为钛合金的0.85倍)，应变明显更大，且更加均匀(最大应变为钛合金的2倍)，应力超过1000Mpa的区域更小，如图6、图7所示。新旧工装具体参数见表2。

表2 工装及紧固件材料性能参数Tab.2 The material parameters of fasteners and craft equipment

(a)两件30CrMnSiA拉力-位移曲线(拉断力均值71kN)

(a)螺栓应力图

(b) 螺栓应变图

(a)螺栓应力图

(b) 螺栓应变图

该现象结合其他试验进行分析，100个M10钛合金Ti-6Al-4V整体对接端框弯矩试验和局部端框30CrMnSiA单钉轴拉试验加载示意见图8。在100个钛合金Ti-6Al-4V整体端框弯矩试验中，以及在局部端框30CrMnSiA单钉轴拉试验中，螺钉拉断时刻对应的端框轴拉力比例，均在1.35附近，也印证了钛合金Ti-6Al-4V相对30CrMnSiA对局部弯矩更加敏感的特性。

(a)整体端框弯矩试验(Ti-6Al-4V)

(b)局部端框轴拉试验(30CrMnSiA)图8 端框载荷试验Fig.8 Frame structure load test

5 结论

通过真实环境浸泡试验和暴露试验表明：30CrMnSiA、ML30CrMnSiA和30CrMnSiN2A材料本体在盐雾环境下的腐蚀倾向性明显，GH4169和Ti-6Al-4V材料本体在盐雾环境下有较强的耐蚀性；螺栓/螺母承力结构中施加铝 1035-O密封圈的试验状态下，4类螺栓在腐蚀试验后承载力均满足标准规定值，验证了总装防水措施的有效性，涂覆醇酸清漆可以进一步避免表面点蚀现象的出现。由于工装刚度较差且存在局部附加弯矩，试验中出现了钛合金Ti-6Al-4V拉断力偏低现象，对比相同工装下理论轴拉力相近的30CrMnSiA螺栓的试验结果，得出了钛合金Ti-6Al-4V由于材料无明显屈服延伸段，即材料强度高但缺乏韧性，对局部附加弯矩更加敏感的结论。