分享：15-5PH不锈钢紧固件在高海水盐雾环境中的应用

C01型膜盘联轴器是安装在某船舶露天甲板上的。在船舶航行过程中,甲板上会溅入大量海水,经过联轴器两端的风机作用,膜盘联轴器服役于高浓度海水盐雾中,这对膜盘联轴器上连接螺栓的耐蚀性提出了更高的要求。膜盘材料为TC4钛合金,因此在考虑螺栓材料耐蚀性的同时,应确保其与TC4钛合金不会形成明显的电偶腐蚀。 

15-5PH（0Cr15Ni5Cu4Nb）不锈钢具有很好的表面光滑性和尺寸稳定性,且加工性能好,力学性能优良,耐一般环境腐蚀[1-3]。15-5PH不锈钢是在17-4PH不锈钢的基础上发展起来的一种马氏体沉淀硬化不锈钢,其不仅广泛应用于航空、航天以及核电等尖端领域,而且在海洋工程设备中（如与各种海水接触的高压容器、螺旋桨、传动轴承和船体的外壳等）的使用也日益增多,因此适合作为高浓度海水盐雾环境中的紧固件材料[4-6]。C01型膜盘联轴器紧固件材料为15-5PH不锈钢,长期运行后多次出现不明原因的腐蚀断裂现象[7],因此需要寻找适用于高盐雾环境中的联轴器材料。15-5PH不锈钢的力学性能及C01膜盘联轴器紧固件的力学性能及要求如表1所示,可以看出,15-5PH不锈钢的力学性能满足C01膜盘联轴器的力学性能要求。但15-5PH不锈钢是否满足联轴器的耐蚀性要求,还需要进一步研究。 

目前,关于15-5PH不锈钢与TC4钛合金（C01型膜盘联轴器常用材料）耦合使用时的腐蚀研究相对较少。笔者通过点蚀试验、缝隙腐蚀试验、应力腐蚀试验、疲劳腐蚀试验、电偶腐蚀试验和模拟腐蚀试验等,对15-5PH不锈钢的耐蚀性进行了研究。以期为15-5PH不锈钢在高盐雾环境钛合金膜盘联轴器中的应用提供参考。 

1.   试验

1.1   点蚀试验

按照GB/T 17897-2016《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》开展点蚀试验,具体试验参数如下：试验溶液为6%（质量分数,下同）FeCl3溶液；试验时间为72 h；溶液温度为55 ℃,采用三个平行试样,见图1。 

图  1  点蚀试样宏观形貌

Figure  1.  Macrographs of samples after pitting corrosion

1.2   缝隙腐蚀试验

按照GB/T 10127-2002《不锈钢三氯化铁缝隙腐蚀试验方法》开展缝隙腐蚀试验,具体试验参数如下：试验溶液为6% FeCl3溶液；试验时间为72 h；溶液温度为55 ℃,缝隙腐蚀示意见图2。 

图  2  缝隙腐蚀试验示意

Figure  2.  Schematic diagram of crevice corrosion

1.3   应力腐蚀试验

按照GB/T 15970.7-2000《金属和合金的腐蚀　应力腐蚀试验　第7部分：慢应变速率试验》开展试验,具体试验参数如下：拉伸应变速率为10-6 /s；腐蚀介质为模拟海水溶液（3.5%NaCl溶液）；试验温度为室温。试样尺寸如图3所示。 

图  3  慢应变速率拉伸试样尺寸

Figure  3.  Dimensions of slow strain rate tensile specimens

1.4   疲劳腐蚀试验

按照GB/T 20120.2-2006《金属和合金的腐蚀　腐蚀疲劳试验　第2部分：预裂纹试样裂纹扩展试验》开展试验,试样尺寸如图4所示。疲劳腐蚀试验参数如下：最大应力360 MPa；最小应力0 MPa；应力频率10 Hz；最大循环周期106次；腐蚀介质为海水；试验在常温下进行。 

图  4  疲劳腐蚀拉伸试样尺寸

Figure  4.  Dimensions of tensile specimens for fatigue corrosion

1.5   电偶腐蚀试验

参考GB/T 15748-2013《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》开展试验,使用多通道电偶腐蚀仪记录电偶腐蚀电位和电流,具体试验参数如下：腐蚀介质为天然海水；试验时间为15 d；试验温度为室温。 

2.   结果及讨论

2.1   点蚀试验

由图5可见：经过点蚀试验后,15-5PH不锈钢表面点蚀坑数量较多,且点蚀坑深度较深。点蚀质量损失测量结果表明,三个平行试样的质量损失相近,平均质量损失为4.571 5 g。点蚀深度统计结果表明：15-5PH不锈钢的点蚀深度相对较大,见表2。点蚀试验结果表明15-5PH不锈钢具有较强的点蚀敏感性,且点蚀坑主要向纵深发展[8-9]。 

图  5  15-5PH不锈钢经过点蚀试验后的表面宏观形貌

Figure  5.  Macro surface morphology of 15-5PH stainless steel after pitting test before (a) and after (b) acid pickling

2.2   缝隙腐蚀试验

由图6可见：人工缝隙处发生了优先腐蚀,其他部位也发生了不同程度的点蚀。缝隙腐蚀质量损失测量结果表明：三个平行试样的腐蚀质量损失较为接近,平均质量损失为2.633 g,远小于由点蚀试验导致的腐蚀质量损失。缝隙腐蚀试验结果表明15-5PH不锈钢具有缝隙腐蚀敏感性,实际应用过程中应尽量避免出现这种缝隙工况[10-11]。 

图  6  15-5PH不锈钢缝隙腐蚀试验后的形貌

Figure  6.  Morphology of 15-5PH stainless steel after crevice corrosion test before (a) and after (b) acid pickling

2.3   应力腐蚀试验

由图7可见：在空白和海水环境中,15-5PH不锈钢的应力-位移曲线在弹性阶段基本重合,表明海水环境对15-5PH不锈钢的力学行为没有显著影响[12]。 

图  7  15-5PH不锈钢的慢拉伸应力-位移曲线

Figure  7.  Stress-displacement curves of 15-5PH stainless steel with slow strain tension

由表3可见：15-5PH不锈钢的抗拉强度敏感性比值、断后伸长率敏感性比值和断口收缩率敏感性比值均接近1,可以认为其在海水中没有显著的应力腐蚀敏感性[13]。 

由图8可见：在两种试验环境中,试样断口处都发生了较为明显的颈缩,高倍下可见明显的韧窝组织,试样断裂为典型的韧性断裂,结合敏感性数据进一步表明15-5PH不锈钢在海水中没有显著的应力腐蚀敏感性。 

图  8  15-5PH不锈钢在不同环境中经慢应变拉伸试验后的断口微观形貌

Figure  8.  Microstructure of 15-5PH stainless steel after slow strain tension in blank (a, b) and sea water (c, d) enrironment

2.4   疲劳腐蚀试验

经过106次的疲劳腐蚀试验,所有参与测试的试样均未发生疲劳断裂。 

图9是15-5PH不锈钢在疲劳试验过程中,有效弹性模量随循环周期次数的变化情况,可以看出,在整个循环周期内,所有试样的有效弹性模量都没有明显的波动,说明试样的力学性能没有受到试验过程的影响。在给定的疲劳应力工况下,可以认为试样没有明显的疲劳腐蚀敏感性[14-15]。 

图  9  15-5PH疲劳试样的有效弹性模量变化

Figure  9.  Change of effective elastic modulus of 15-5PH stainless steel fatigue specimens

2.5   电偶腐蚀试验

15-5PH不锈钢与等面积TC4钛合金耦合后,在海水中浸泡前后的形貌如图10所示。可以看出,试样浸泡在海水中的部分表面,较试验前略暗,但没有发生明显的腐蚀。试样用于固定的位置有少量的腐蚀产物痕迹,酸洗后可以看到腐蚀产物区域存在轻微的腐蚀坑[16]。 

图  10  15-5PH不锈钢经15 d电偶腐蚀试验前后的表面宏观形貌

Figure  10.  Galvanic corrosion morphology of 15-5PH stainless steel before (a) and after (b) galvanic corrosion for 15 d

由表4可见：15-5PH不锈钢试样的腐蚀质量损失较小,其年腐蚀速率小于2 μm[17]。 

图11为15-5PH不锈钢与钛合金的耦合电位和电流变化趋势,可以看出电流整体较小,但电流和电位都有一定的波动性。 

图  11  15-5PH不锈钢与钛合金耦合电流和电位

Figure  11.  Coupling potential (a) and current (b) between 15-5PH stainless steel and titanium alloy

3.   结论

（1）15-5PH不锈钢在三氯化铁溶液中发生了点蚀和缝隙腐蚀,该材料具有点蚀和缝隙腐蚀敏感性。 

（2）15-5PH不锈钢在海水环境中没有明显的应力腐蚀和疲劳腐蚀（当前疲劳应力条件）敏感性。 

（3）15-5PH不锈钢在海水中与钛合金耦合时没有明显的腐蚀现象,即没有显著的电偶腐蚀敏感性。 

（4）15-5PH不锈钢在海水环境中表现出较为明显的缝隙腐蚀敏感性。 

（5）在露天的海洋盐雾环境中,15-5PH不锈钢可以作为TC4钛合金膜盘的紧固件,但要注意避免缝隙腐蚀的发生。

文章来源——材料与测试网