GH909合金热盐腐蚀行为及力学性能衰减研究

2022-12-20淳道勇詹中伟葛玉麟孙志华

电镀与精饰 2022年12期

淳道勇，詹中伟，葛玉麟，孙志华

（1.海装广州局贵阳军代室，贵州贵阳 550014；2.中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

GH909合金是一种Fe-Ni-Co基低膨胀高温合金，在650℃下具有良好的强度、较低的膨胀系数，且弹性模量基本恒定，这使其非常适合制造航空发动机上需要精确控制间隙的零部件，如涡轮外环、压气机和封严环等，因此GH909合金在先进航空发动机上的应用非常广泛［1-6］。然而GH909合金成分中Cr含量非常低，导致其在高温下有应力加速晶界氧化的倾向，在腐蚀介质中存在严重的腐蚀风险。当前我国航空装备的服役环境已由单一的内陆环境逐渐向海洋、极寒、高原等全域环境转变，其中高温、高湿、高盐雾的海洋环境对航空发动机零部件的抗腐蚀性能提出了苛刻的要求［7-10］。处于发动机气流通道内的GH909等零件表面往往会沉积严重的盐类物质，其在发动机运行过程中会对金属基体产生严重的热盐腐蚀［11-12］。

国内外对于GH909合金的研究主要集中在加工工艺方面，如热处理［13-14］、焊接［15-17］、喷丸强化［18］等，但是对GH909合金抗腐蚀性能的研究相对较少。韩光炜等［19］人研究了海洋环境下不同低膨胀高温合金腐蚀抗力的对比，结果显示GH907、GH909和GH929C在常温模拟海洋盐雾环境下的耐腐蚀性较差，盐雾实验的沉积盐还会显著降低GH909在650℃下的抗拉强度和持久寿命；但是该研究中的腐蚀仍然是常温腐蚀，尚无法模拟实际工作过程中的高温热盐腐蚀情况。本研究采用热盐腐蚀实验研究GH909合金的腐蚀行为，并分析了热盐腐蚀对GH909合金力学性能衰减的影响规律，包括拉伸性能和高温旋转弯曲疲劳性能。

1 实验部分

1.1 实验材料及规格

实验材料为GH909合金，化学成分详见表1。热盐腐蚀实验的平板试样规格为30 mm×10 mm×3 mm，拉伸试棒规格如图1所示，高温旋转弯曲疲劳试棒为单截面光滑轴向应力疲劳试棒（Kt=1），如图2所示。

表1 GH909合金化学成分Tab.1 Composition of GH909 alloy

图1 拉伸试棒Fig.1 Specimen for tensile test

图2 旋转弯曲疲劳试棒Fig.2 Specimen for rotating bending fatigue test

1.2 实验和表征

按照HB 20401—2016《涂盐热腐蚀试验方法》的要求对GH909平板试样和力学试棒进行热盐腐蚀，实验用盐由质量比5%NaCl（化学纯）和95%Na2SO4（化学纯）组成，用去离子水配制成100 g/L溶液，充分雾化后均匀沉积在试样测试面，烘干后保证盐的沉积量为30±5 g/m2。实验温度550℃，周期为100 h，每25 h取出试样冷却，水洗去除表面盐，烘干并静置1 h后，观察表面，并采用电子天平称重。实验结束后，取出平板试样和力学试棒。其中平板试样称重后，按照HB 20401—2016的碱洗方法去除腐蚀产物，碱洗溶液成分为40%NaOH+60%Na2CO3，温度550℃，电流密度50 A/dm2，时间4 min。

采用JEOL公司的JSM-7900F型扫描电镜观察表面及断面的微观形貌。拉伸试棒分别按照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》的规定检测室温和650℃的拉伸性能，包括抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2等；疲劳试棒按照HB 5153—1996《金属高温旋转弯曲疲劳试验方法》检测550℃下的旋转弯曲疲劳性能，频率120 Hz，应力550 MPa，实测试棒的疲劳寿命N。

2 实验结果与讨论

2.1 腐蚀动力学

GH909合金在涂盐热腐蚀实验过程中，合金中的Fe、Ni等金属元素高温下与空气中的氧发生反应，生成氧化物，同时盐类物质在高温下活性增强，其中的Cl、S等元素会破坏氧化物层，使其变得疏松，为氧和盐类物质向内部渗透创造的通道。如此反复，GH909合金的金属元素持续消耗，宏观上表现为热盐腐蚀。相关研究表明［20］，合金的高温热盐腐蚀动力学能够通过其腐蚀产物增重和时间的方程表示：

其中：Δm为试样质量变化，单位g；A为试样表面积，单位m2；K为腐蚀速率常数；t为热盐腐蚀实验，单位h；n为腐蚀动力学指数；C为常数。对方程（1）进行对数处理，可以获得log（Δm/A）与logt之间的线性关系，如方程（2）所示。

通过计算GH909平板试样不同热盐腐蚀时间的增重，对log（Δm/A）与logt进行线性拟合，结果显示相关系数R2值约为0.94。由此可以获得GH909合金在550℃热盐腐蚀动力学曲线，如图3所示，其中腐蚀动力学常数n约为0.24。可以发现，随着热盐腐蚀时间的延长，GH909合金一直处于增重状态，表明其腐蚀产物的堆积逐渐增多。动力学曲线的斜率能够定性反映热盐腐蚀反应的速率，图3中曲线的斜率逐渐减小，显示热盐腐蚀反应速率逐渐降低，这可能是由于腐蚀产物的堆积一定程度上对合金表面形成了保护，使得氧和盐类物质向内部扩散逐渐困难，降低了腐蚀反应速率。

图3 GH909合金在550℃的热盐腐蚀动力学曲线Fig.3 GH909 alloy kinetic curve of hot salt corrosion at 550℃

2.2 腐蚀微观形貌

图4所示为GH909合金100 h热盐腐蚀后表面的腐蚀产物微观形貌。腐蚀100 h后，GH909合金表面杂乱堆积了大量的颗粒状腐蚀产物，其间密布裂纹，显示出腐蚀产物非常疏松。由于腐蚀产物一般为氧化物，导电性较差，导致微观形貌图片偏白。

图4 GH909合金热盐腐蚀100 h后腐蚀产物微观形貌Fig.4 Morphology of corrosion product of GH909 al‐loy after 100 h hot salt corrosion

腐蚀产物的堆积掩盖了基体金属的腐蚀形貌，因此采用碱洗方法去除掉腐蚀产物，并观察GH909金属基体在不同实验时间的微观形貌变化，如图5所示。经过25 h热盐腐蚀后，GH909合金表面密布大量细小裂纹，整体呈现支离破碎状，显示腐蚀向基体内部发展，如图5（a）所示；断面微观形貌表明GH909表面出现均匀的腐蚀裂纹，深度约为9～10 μm，如图5（b）所示。热盐腐蚀50 h后，GH909合金表面裂纹显著加宽加长，局部相互连接形成孔洞，如图5c所示；其断面形貌显示裂纹进一步向基体内部均匀渗透，疏松程度明显增大，深度约18～21 μm。当热盐腐蚀100 h结束时，GH909合金表面非常疏松，整体已失去完整性，且不同区域出现较为明显的腐蚀程度差异，严重的区域内孔洞已相互交联，如图5（e）所示；这也在其断面微观形貌得到的反映，腐蚀严重的区域，最外层金属可能由于太过疏松已发生脱落，腐蚀最深处可能已超过40 μm，同时腐蚀层与基体的界面处还能够观察到大量的细小裂纹，这表明腐蚀仍在向基体延伸。综合不同热盐腐蚀实验时间后的腐蚀形貌，可以发现GH909在550℃下的热盐腐蚀宏观表现为均匀腐蚀，并且在整个实验周期内持续向基体内部扩展。

图5不同时间热盐腐蚀试样碱洗后表面和断面微观形貌Fig.5 Surface and cross-section morphology of GH909 alloy after caustic wash at different time of hot salt corrosion

2.3 拉伸性能影响

图5所示的腐蚀在GH909表面造成大量缺陷，并且向基体内部延伸，甚至会造成零件尺寸的变化，从而显著影响拉伸性能。图6所示为GH909合金经过热盐腐蚀不同时间后的拉伸性能变化，包括室温和650℃拉伸。可以发现，GH909合金在室温和650℃的抗拉强度随着实验时间延长的变化并不明显，显示热盐腐蚀对抗拉强度的影响有限。经过50 h热盐腐蚀后，室温抗拉强度几乎未下降，650℃下抗拉强度仅降低约2.0%；而100 h后，室温抗拉强度仅降低约0.8%，650℃下抗拉强度下降约3.5%。

图6 GH909合金室温和650℃抗拉强度随热盐腐蚀时间的衰减Fig.6 Tensile strength reduction of GH909 alloy at room temperature and 650℃with hot salt corro‐sion time

2.4 旋转弯曲疲劳性能影响

图7所示为GH909合金经过热盐腐蚀不同时间后高温（550℃）旋转弯曲疲劳性能的变化。GH909合金的初始旋弯疲劳寿命N为4.02×106次；经过50 h的热盐腐蚀后，疲劳寿命N约为1.48×106次；经过100 h的热盐腐蚀后，疲劳寿命N约为1.16×106次。图8所示为经过100 h热盐腐蚀后的疲劳断口。低倍形貌可以发现疲劳裂纹源位于试样表面位置，如图8（a）中圆框所示。将断口试样倾斜15°，使圆框的裂纹源区及对应的表面形貌同时显示出来，如图8（b）所示中方框区域，从中可以明显观察到从表面向内部深入的腐蚀裂纹；同时箭头是指区域疑似为腐蚀产物脱落，这与图5（f）所示的腐蚀断面形貌相吻合。其他经过100 h热盐腐蚀的疲劳试样进行断口分析，也发现了相似的情形。由此可判断，热盐腐蚀在GH909合金表面形成的腐蚀裂纹等缺陷成为其疲劳断裂的起源，从而降低了疲劳寿命。