燃料舱壳体黑斑原因分析及解决措施

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[摘    要]针对某型水下航行器燃料舱壳体黑斑故障的排查、分析和验证，进行故障树分析及故障复现验证，确定黑斑产生原因是壳体在机加过程中黏附腐蚀物质、长时间搁置和棱角部位粗糙度大等综合因素影响形成微观腐蚀点，在阳极氧化中由于棱角处电流密度大，腐蚀点经过电化学反应放大形成明显黑斑。

[关键词]燃料舱壳体;黑斑;腐蚀

[中图分类号]TG115 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–0–03

[Abstract]In view of the troubleshooting， analysis and verification of the black spot failure of the fuel tank shell of a certain type of underwater vehicle， the fault tree analysis and failure recurrence verification are carried out to determine the cause of the black spot is the adhesion of corrosive substances to the shell during the machining process and a long time. The comprehensive factors such as shelving and the large roughness of the corners and corners affect the formation of microscopic corrosion spots. In anodizing， due to the high current density at the corners， the corrosion spots are amplified by electrochemical reactions to form obvious black spots.

[Keywords]fuel tank shell; black spot; corrosion

1 故障现象

在某水下航行器燃料舱壳体终检过程中，发现部分壳体内表面局部发现有微小黑斑，黑斑的主要分布区域在壳体前端窗口修锉部位、窗口上下边缘、端面内外边缘以及30°倒角下边缘处，呈线型排列（图1）。缺陷样貌呈点状黑斑，如图2所示，黑斑直径约1 mm以内，成分为钠、硅、硫、氯、钙等。

2 故障分析

燃料舱壳体为回旋形薄壁壳体，材料为铝合金7A19，通过阳极氧化的方式达到表面防腐的目的，这些黑斑是在壳体阳极氧化后发现的。针对黑斑现象，从原材料、加工过程、中间过程、防护等方面进行分析，建立故障树如图3。

2.1 原材料（X1）

原材料本身缺陷会导致壳体在氧化过程中出现黑斑现象，如材料偏析或出现个别成分超差。

燃料舱壳体所用管料是铝合金7A19热挤压管料，管料经过截成段状后加工成壳体。刚挤压成形的长管料两端容易材料偏析，当靠近两端的段管料加工成壳体后，如果材料偏析严重，在后续的氧化过程中会产生黑斑。針对材料偏析，选取本批壳体所用管料靠近两端的8件料头进行加工，加工尺寸模拟燃料舱壳体成形尺寸后进行阳极氧化，氧化膜全部正常，排除材料偏析造成壳体黑斑。

回查本批壳体所用管料的产品质量证明书、进厂复验项目均合格，再次取样检测项目也合格（表1），排除出现个别成分超差导致壳体出现黑斑。

选取黑斑较多的燃料舱壳体通过机加去除黑斑，对其再进行阳极氧化，氧化后原来位置未出现黑斑，排除原材料内部缺陷导致壳体出现黑斑。

综上，原材料缺陷导致壳体出现黑斑不成立。

2.2 表面处理吊装方式（X2）

针对黑斑出现在壳体固定一端的现象，分析是否存在槽液某一分层位置氧化更容易出现黑斑，因此通过吊装方式改变壳体在槽液中的位置进行验证。采取4种吊装方式分别对壳体进行阳极氧化，对每种吊装方式实验5次壳体氧化，如图4所示，结果发现正向、倒向以及不同高低位置氧化后，壳体出现黑斑的部位仍在壳体前端原位置。因此，吊装方式导致壳体固定一端出现黑斑不成立。

2.3 表面处理槽液氯离子超标（X3）

阳极氧化过程中，槽液中Cl–>200×10–6容易导致壳体出现点蚀，其外观特征是深的星形黑点，在工件边角位置或其他高电流密度区域更为密集，这与本壳体出现的黑斑较为相似，因此如果氧化槽液内氯离子含量超标可能会导致壳体出现黑斑。

首先对氧化槽液进行检测，检测结果均符合工艺要求，氯离子浓度远低于200×10–6;同时对氧化槽液彻底更换，并做去离子水硝酸银检测，严格把控槽液中的氯离子含量。更换槽液后，下一批次燃料舱壳体氧化后依旧有部分壳体出现黑斑。因此壳体黑斑问题与氧化槽液的氯离子超标无关。

2.4 氧化过程（X4）

在阳极氧化过程中，工艺参数变化、人员变动以及设备变更等均能对阳极氧化膜造成影响。经回查，操作人员、工艺规程、设备、槽液原料厂家以及操作过程均无变化。同时跟踪壳体氧化过程，在保证操作过程无误的情况下，仍有部分壳体出现黑斑，因此氧化过程导致壳体出现黑斑不成立。

2.5 机加过程中的人员操作（X5）

在壳体机加过程中，因为操作人员的操作不当，在精加工序中，壳体表面出现纹理波纹、颤刀、伤痕等情况，将导致壳体氧化过程出现黑斑。

燃料舱壳体机加包含分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段，粗加工主要是去除大的加工余量，余量约有10 mm，半精加工主要是车内外圆和铣楔环槽，有1～2 mm的加工量，粗加工和半精加工不会造成壳体黑斑现象。

根据黑斑出现位置，着重对精车外径、精镗内孔、修锉楔环槽和抛光工序的操作人员、操作记录进行回查。经查，精加工的操作人员均具备技能资质，产生膜层黑斑的壳体散布在每个参与精加工的操作人员加工的产品中，因此机加过程中个别人员操作导致壳体出现黑斑不成立。

2.6 机加过程中的设备变化（X6）

机加过程中设备发生变化，可能造成壳体表面出现隐性缺陷，导致壳体氧化出现黑斑。针对设备问题，对所有工序的设备进行回查，实际加工过程所用设备与工艺要求设备一致，设备确认资料齐全，设备运行良好。因此机加过程中的设备变化导致壳体出现黑斑不成立。

2.7 机加过程中的工艺变化（X7）

机加加工过程中的工艺与零部件加工精度之间有着密切联系，工艺变更会降低壳体加工精度和表面粗糙度，影响阳极氧化膜层质量。前211A.03Z-1机加工艺规程为2013年生产定型工艺规程，工序中的工艺内容无变化。因此机加加工过程中的工艺变化导致壳体出现黑斑不成立。

2.8 机加过程中接触的介质（X8）

在机加过程中，壳体不可避免地会接触到外部介质，若未及时清理，介质中的弱酸性溶液、氯离子或其他物质会对壳体表面造成腐蚀（如乳化液、煤油、自来水、汗液等）;可能有杂质（如铝屑末、砂粉、灰尘等）进入残余腐蚀坑内，氧化前处理（碱洗、除油）若不能彻底清除，极易造成壳体氧化后出现黑斑。

机加过程中主要使用乳化液和煤油等介质，工人操作过程中存在不戴防护手套用手直接触摸壳体边缘部位导致汗液附在其表面的现象，机加工序完成后，壳体边缘部位也出现过暗色腐蚀区域，机加过程中接触的介质能够造成壳体腐蚀，因此不能完全排除。

2.9 搁置时间过长（X9）

壳体机加环境温度在10～35 ℃，符合机加温度规定，在工序流转和产品交接前后的搁置期间，壳体一端放在皮垫上，呈直立状态。从精加工成形尺寸工序到阳极氧化工序间的搁置时间有时较长，本批壳体搁置时间4个月。铝合金在潮湿环境中的长时间搁置状态下，由于壳体一端接触地面，导致壳体内部温、湿度差较大，空气流通性差，可能导致腐蚀点产生。

为了验证该因素的影响，对同批次6件壳体缩短精加工到阳极氧化工序的间隔时间全程跟踪加工方式和周转过程，阳极氧化后全部合格，无黑斑出现，缩减工序时间可有效减少黑斑出现。因此搁置时间过长导致壳体出现黑斑现象不能排除。

2.10 应力变化（X10）

在机加过程中的表面残余应力无法完全释放时，壳体一端的棱角处更易受到影响从而形成微小裂纹等缺陷，这些缺陷易造成后期腐蚀或氧化过程中出现扩张现象。

为验证该因素影响，对相同材料铝合金试样进行吊拉应力，使其材料发生应力变形，试样浸泡盐水后，对其进行阳极氧化，未发生黑斑。因此排除应力无法释放导致壳体出现黑斑现象。

3 故障定位

根据故障树分析，十个底事件中八个因素得到排除，机加过程中接触的介质（X8）和搁置时间过长（X9）无法排除。

为了进一步确定黑斑产生原因，对壳体点蚀部位进行了切片取样，进行了材料学分析和EDS扫描，确定铝合金7A19工件阳极氧化层点蚀现象是有局部氯离子含量较高引起的。

综合分析，燃料舱壳体黑斑故障定位为：壳体在机加过程中黏附腐蚀物质、长时间搁置和棱角部位粗糙度大等综合因素形成微观腐蚀点，在阳极氧化中由于棱角处电流密度大，腐蚀点经过电化学反应放大形成明显黑斑。

4 故障机理

铝合金7A19是一種超硬铝合金，超硬铝合金出现点腐蚀需要满足腐蚀性物质、腐蚀时间以及材料表面易腐蚀区域等条件。

壳体机加过程中，存在操作人员徒手搬动壳体情况，经过刮蹭，手汗等含氯离子的介质容易黏附在壳体前端止口部位，如不及时清理，汗液挥发后留下的高浓度氯离子与铝合金发生腐蚀反应，极易造成不易观察到的轻微腐蚀点。

铝合金7A19材料的表面状态对它的腐蚀行为有很大的影响，金属表面越是匀称、光滑，所生成的表面钝化膜耐腐蚀性越好，机械加工粗糙的表面造成机械划伤能增加金属对点蚀的敏感性，燃料舱壳体前端面棱角处属于易腐蚀区域，容易吸附腐蚀物质，给后期的点腐蚀提供便利。

腐蚀物长时间吸附在金属表面会促进腐蚀，经过回查本批燃料舱生产记录，精加工到阳极氧化搁置时间较长，搁置时间4个月。

本批燃料舱生产过程中，存在前端棱角处黏附腐蚀性物质（手汗等）、较长的搁置时间，在这些综合因素作用下，部分燃料舱壳体阳极氧化后在前端棱角处出现了黑斑。

5 故障复现试验

根据故障机理，开展故障复现试验，首先对铝合金7A19试样人工汗液腐蚀，然后用锐物对其棱角进行挤压，使氯离子残留物封闭在发生形变的部位，最后经过阳极氧化后观察形貌如图5。经电镜扫描后，对三种黑斑的样貌进行放大对比，图片如图6。

对比后发现，故障复现试验试样和壳体黑斑形貌基本一致，都是典型的腐蚀坑，坑底部位露出基体，边缘部位有一些完整的晶粒被腐蚀成黑快，交错连接在一起，表面凹凸不平，具有一定的方向性和连续性。

随后对壳体解剖试样以及故障复现试样1和2进行电镜成分分析，成分如表2。电镜成分分析具有一定误差，但是三种腐蚀物成分种类基本一致，成分比例存在一定程度不同，通过这些对比，确定故障复现试样黑斑与壳体解剖试样黑斑具有一致性。

6 措施及验证

根据故障分析及复现试验情况，为了预防壳体继续出现黑斑，采取以下措施：

（1）增强产品防护要求。制定了切实有效的产品防护管理办法，要求工人严格执行管理办法，杜绝不戴防护手套搬运壳体，避免壳体在机加和周转过程中被腐蚀介质污染。

（2）增强生产计划管理，统筹安排产品生产，缩短壳体机加到表面处理的时间，减少壳体被腐蚀的概率。

（3）为减少点蚀源，燃料舱壳体机加工艺中增加阳极氧化前棱角机械抛光工序。

为验证措施的有效性，后续一批燃料舱壳体采取上述措施并进行现场跟踪，阳极氧化后所有壳体均未出现黑斑，措施验证有效。

参考文献

[1] 孟凡亮.某产品燃料舱壳体渗漏原因分析[J].机械工程与自动化，2019（6）：210-211.