35Cr2Ni4MoA材料防腐蚀性能验证研究

2018-08-01赵连红张红飞刘成臣王浩伟

装备环境工程 2018年7期

赵连红，张红飞，刘成臣，王浩伟

（中国特种飞行器研究所结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，湖北荆门 448035）

35Cr2Ni4MoA作为一种超高强度中碳钢在航空工业制造使用中有重要作用[1]。材料中含有Ni，Cr，Mo合金元素，使钢的过冷奥氏体相当稳定，淬透性很好[2-3]。35Cr2Ni4MoA材料表面处理经常采用镀硬铬工艺，主要用于制造截面较大的承受疲劳载荷的关键件，如重要轴类、对接接头、螺栓及飞机起落架等[4-5]。飞机长期在沿海区域服役和使用，高盐雾、高湿热等严酷海洋环境对飞机结构，特别是承受高载荷高应力水平的起落架结构，会产生严重的腐蚀损伤，严重影响飞机安全性和可靠性[6-10]。35Cr2Ni4MoA材料表面镀硬铬在海洋环境中耐腐蚀性能较差，同时针对35Cr2Ni4MoA材料镀硬铬应用范围广、工艺稳定成熟，且在短时间内没有稳定成熟的新表面处理工艺替代的条件下，工程技术人员想借鉴表面处理封孔技术有效提高耐腐蚀性能的方法[11]，通过在镀硬铬工艺基础上采取封孔防护的手段来提高 35Cr2Ni4MoA材料表面的耐蚀性。文中主要研究35Cr2Ni4MoA材料表面镀硬铬有无封孔防护状态下的耐蚀性能差异，验证35Cr2Ni4MoA材料封孔防护的有效性，为其在海洋环境下应用的防腐蚀方案提供依据。

1 实验室加速试验

1.1 试样

试验件由航空工业哈飞提供，材料为35Cr2Ni4MoA，形状为圆筒状，试验件分别采用镀硬铬和镀硬铬+封孔防护两种表面防护，每类试验件数量为2件，其长度为270 mm，内径为55 mm，外径为65mm，试验件表面处理见表1。镀硬铬试验件按照除油、清洗、电镀硬铬、除氢的工艺流程进行电镀，温度为50～60 ℃，电流密度为40～60 A/dm2，电镀硬铬厚度为40～60 μm。镀硬铬+封孔防护的试验件在硬铬镀试验件的基础上按照除油、加热、刷涂518封孔剂（封孔剂主要含有碳、氮、氢等元素，较好渗透性，刷涂中利用温差气体收缩效应和毛细现象可有效封闭硬铬镀层的微裂纹和孔隙），室温固化6 h，120 ℃加温固化3 h的工艺流程，清除试验件表面封孔剂，通过贴滤纸法检查试验件表面无孔隙，确保封孔处理质量。试验中检测试验件腐蚀坑深度的设备为KH-7700三位体式显微镜，其放大倍数为50～3500倍，试验件如图1所示。

表1 试验件清单

1.2 试验环境

海洋环境中的高湿热、高盐雾腐蚀环境对35Cr2Ni4MoA材料的腐蚀影响最为严重，试验重点研究湿热和盐雾环境对材料的腐蚀影响。刘成臣针对不同材料在海洋大气环境下的加速环境谱开展研究[12]。文中在海洋大气试验环境谱的基础上裁剪紫外试验模块，形成35Cr2Ni4MoA材料的加速环境谱，其中每个周期的试验作用时间为336 h，包括 168 h湿热试验和168 h酸性盐雾试验，试验共8个周期，试验的加速试验环境谱如图2所示。

1.3 试验方法

按照加速试验环境谱开展35Cr2Ni4MoA试验件环境试验，试验周期为8周期。严格按照试验程序开展环境试验，每个周期依次从试验件清洗、初始检测、周期性加速腐蚀试验、周期性取样检测分析等程序进行。在加速试验中，按照 GJB 150.9A—2009《军用装备实验室环境试验方法第 9部分：湿热试验》和GJB 150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法第 11部分：盐雾试验》开展湿热试验和盐雾试验，每个循环结束后检测试验件腐蚀情况。在试验件检测前选择3处腐蚀严重的区域进行标记，标记为2 cm×2 cm的方格。同时方格作为试验检测单位面积，用于检测单位面积的腐蚀数量（即用于单位面积腐蚀数量检测）。35Cr2Ni4MoA试验件表面腐蚀情况（坑深度、腐蚀面积、单位面积腐蚀数量）采用 KH-7700三位体式显微镜检测，按照国标GB/T 18590—2001变焦显微测试法，在试验件表面不同部位采集腐蚀数据，使检测的腐蚀数据能够体现试验件的表面整体腐蚀情况。

2 结果与讨论

2.1 试验数据分析

35Cr2Ni4MoA试验件开展 8个周期的实验室加速腐蚀环境试验，检测35Cr2Ni4MoA两种试验件的腐蚀形貌。YLCL试验件试验初期，点蚀零星分布在试验件表面；随着试验时间推移，到试验中期，点蚀数量增多，点蚀面积增大，腐蚀增长速率快；到试验后期，腐蚀数量增多，腐蚀面积增大，腐蚀程度严重。YLFK试验件试验初期无明显腐蚀；试验中期，试验件表面出现轻微点蚀，数量少，腐蚀程度较轻；试验后期，腐蚀程度相较于中期有所增加，腐蚀数量、腐蚀面积增加幅度较小。在 1—8周期，2类试验件的蚀坑深度、腐蚀面积、单位面积内腐蚀数量等腐蚀数据见表1、表2和表3，蚀坑深度、腐蚀面积、单位面积内腐蚀数量的数值为试验检测均值。

表2 2种表面处理35Cr2Ni4MoA试验件外表面蚀坑深度 μm

表3 2种表面处理35Cr2Ni4MoA试验件外表面腐蚀面积 μm2

表4 2种表面处理35Cr2Ni4MoA试验件外表面单位面积内腐蚀数量

通过表2统计的蚀坑深度可知，YLCL试验件在环境试验第1周期中发生腐蚀，并且腐蚀蚀坑深度随试验时间成幂函数关系[13]，腐蚀程度越来越严重。YLCL试验件经过8个周期环境试验后，表面腐蚀形貌和蚀坑深度如图 3a所示。相较之下，YLFK试验件在环境试验初期未发生腐蚀，从第3周期开始试验件表面才出现轻微腐蚀。随着环境试验的开展，试验件表面蚀坑深度逐渐增大，但增幅较小。YLFK试验件经过8个周期环境试验后，表面腐蚀形貌和蚀坑深度如图3b所示，经历8个周期环境试验，YLFK试验件的蚀坑深度仅仅相当于 YLCL试验件蚀坑深度25%。由此可以推断，随着试验的进一步开展，两种试验件的蚀坑深度差值会越来越大。因此判断，35Cr2Ni4MoA材料镀硬铬+封孔防护后，能有效提高材料表面的耐腐蚀能力。

通过表3统计的腐蚀面积数据可知，YLCL试验件经历8个环境试验后，形成的腐蚀面积较大，腐蚀面积随时间的增加而增大，且增长幅度较快。而YLFK试验件在 8个环境试验后形成的腐蚀面积较小，腐蚀面积随时间增加的增幅较慢。可以看出，试验件表面腐蚀面积变化规律与唐子龙[13]在考虑蚀坑内沉积层情况下提出的半球形孔模型的规律一致。即YLCL试验件表面蚀坑半径r随时间成直线关系，YLFK试验件表面蚀坑半径r随时间成平方根关系。按照这个发展趋势，随着试验进一步开展，两种试验件的腐蚀面积差值会越来越大。因此判断，35Cr2Ni4MoA材料镀硬铬+封孔防护后，能有效提高材料表面的耐腐蚀能力。

YLCL试验件在试验初期腐蚀数量较少，腐蚀点零星分布在试验件外表面，单位面积内的腐蚀数量一般以数量2和3居多。随着试验的开展，到试验中期，腐蚀速率增加，点蚀个数增加速率明显加快，单位面积内腐蚀数量一般以数量7和8居多。到试验后期，单位面积内的腐蚀数量一般以数量3和4居多。相较之下，YLFK试验件在第3周期刚出现点蚀，单位面积内的腐蚀数量为1。在5周期，试验件单位面积内腐蚀数量一般以数量2和3居多。到试验后期，单位面积内腐蚀数量为2。可以看出，两种试验件腐蚀个数变化趋势一致，都表现出少→多→少趋势，但YLCL试验件相较于YLFK试验件，腐蚀个数整体水平多，且腐蚀程度严重。

2.2 试验结果分析

对35Cr2Ni4MoA材料两种试验件开展了8个周期湿热和盐雾环境试验，两种试验件的腐蚀形貌如图4所示。通过对腐蚀深度、腐蚀面积、单位面积腐蚀数量的检测和分析，总体而言，两种试验件表面发生腐蚀类型为点蚀，且腐蚀程度随时间增加而严重。镀硬铬+封孔试验件相较于镀铬的试验件，点蚀发生时间迟、腐蚀速率低且腐蚀程度轻。

1）对于镀硬铬+封孔试验件，改变了原先采用镀硬铬处理后，材料表面多孔隙的不足，提高了材料表面质量，减少了因为材料表面镀硬铬后仍有较多孔隙易引起点蚀的不足。因此在腐蚀环境试验初期，35Cr2Ni4MoA材料表面镀硬铬会在外表面微孔隙部位产生点蚀，而采用镀硬铬和封孔防护的没有出现点蚀。

2）采用镀硬铬和封孔防护的试验件，由于试验件表面孔隙被封孔剂填充，腐蚀产物只能停留在材料表面，不能沿着深度方向发展，所形成的腐蚀产物对于点蚀周围区域的张力作用很小，导致腐蚀产物张力作用不能促进腐蚀环境介质对材料表面的快速腐蚀作用。随着试验的开展，对于镀硬铬试验件而言，更多腐蚀介质通过微裂纹和孔隙与材料基材反应，使机体材料腐蚀。随着腐蚀程度不断加深，在腐蚀部位产生大量腐蚀产物。同时在腐蚀产物不断增长过程中对试验件腐蚀部位表面产生张力作用，导致腐蚀中心部位发生鼓包和龟裂，并产生微裂纹。微裂纹形成之后，腐蚀会沿着裂纹不断扩展，导致腐蚀产物以更快的速度增长，使试验件表面腐蚀情况更加严重。同时腐蚀产物在裂纹处累积，又促进裂纹的扩展，从而导致腐蚀速率越来越快。在这样相互促进作用下，试验件腐蚀速率加快。这也是封孔防护后腐蚀程度明显降低、腐蚀速率减小的原因。

3）封孔防护的试验件在试验中后期，由于腐蚀产物大量在表面积累，阻隔了材料与腐蚀环境介质的接触，减少了腐蚀环境与内表面基材作用，从而降低了材料表面腐蚀速率。

综上所述，通过验证35Cr2Ni4MoA材料表面两种防护方法的耐蚀性，镀硬铬和封孔防护在镀硬铬的基础上，提高了35Cr2Ni4MoA材料表面处理质量，减少了35Cr2Ni4MoA材料表面处理孔隙，切断了环境介质与 35Cr2Ni4MoA基材接触途径，对于35Cr2Ni4MoA材料镀硬铬表面处理的防腐蚀能力提升有重要作用。同时也为35Cr2Ni4MoA材料在海洋环境下的工程运用提供了好的思路和方向。